DE69803849T2

DE69803849T2 - Laserdiodenmodul mit integraler kühlung

Info

Publication number: DE69803849T2
Application number: DE69803849T
Authority: DE
Inventors: Edwin Jackson; Lee Peterson; Joseph Ryan; John Sarro
Original assignee: Marconi Data Systems Inc
Current assignee: Videojet Technologies Inc
Priority date: 1997-05-30
Filing date: 1998-05-29
Publication date: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2018-05-30
Also published as: EP0985254B1; DE69803849D1; JP2002501675A; US6072814A; AU7667998A; CA2291768A1; WO1998054802A1; EP0985254A1; ES2168760T3; ATE213365T1

Description

Diese Erfindung betrifft Halbleiterlaserdioden. Genauer betrifft sie Laserdiodenmodule, die eine Vielzahl von Halbleiterlaserdioden umfassen können. Derartige Laserdioden können für ihre Größe einen relativ hohen Strahlenausgang erzeugen und werden beispielsweise bei Anwendungen wie faseroptischen Verbindungen (Lichtwellenleitern) und bei der Laserchirurgie verwendet. Typischerweise emittieren derartige Halbleiterdiodenlaser eine Energie im Wellenlängenbereich von 0,805 bis 1,55 Mikrometer, um eine effiziente Kopplung mit Faseroptiken zu erreichen. Als Hintergrund für derartige Halbleiterdiodenlaser siehe Laser Focus World, August 1992, Seiten 79 und folgende. Eine typische Art einer Laserdiode, die zum Gebrauch mit der vorliegenden Erfindung geeignet ist, ist in den U.S.- Patenten mit den Nr. 4,860,298 und 4,985,897 beide von Dan Botez et al. offenbart, die hier durch Bezugnahme eingeschlossen sind. Die dort offenbarte Laserdiode umfasst typischerweise zwischen zwanzig und vierzig Laserelemente und weist eine Größe auf, die eine Dicke von 100 Mikron, eine Breite von 0,5 Millimetern und eine Länge von 1,0 Millimetern umfasst. Derartige Module können über 15 Watt erzeugen. Diese Vorrichtungen besitzen viele Anwendungen, aber das grundsätzliche Problem mit deren Gebrauch ist die Wärmeableitung, die bei diesem relativ hohen Verhältnis von Ausgang zu Größe erheblich ist.
Typischerweise werden die Laserausgänge in einen Strahl konzentriert, der durch ein Linsensystem in einen einzelnen Strahl fokussiert wird, der gegebenenfalls anschließend in einen Lichtleiter oder eine ähnliche Vorrichtung gekoppelt sein kann. Einzelheiten der Laser und der Mittel zum optischen Fokussieren der Strahlen sind in den vorher erwähnten Botez et al.-Patenten offenbart, obwohl sie hier in dem Umfang, wie es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist, beschrieben sind. Derartige Vorrichtungen weisen typischerweise einen Stromeingang zwischen 0,5 und zehn Ampere oder höher auf und können einen Ausgang zwischen 0,2 und zehn Watt oder mehr an optischer Energie erzeugen. Ein den Lichtausgang begrenzender Parameter ist der Wärmeaufbau. Ohne eine wirksame Kühlung verringert sich der Ausgang an optischer Energie ziemlich dramatisch, wenn die Temperatur ansteigt. Es müssen in etwa, wenn mehrere zehn Watt an optischer Energie erzeugt werden, in etwa mehrere zehn Watt an Wärme abgeleitet werden.
Frühere Konstruktionen waren dazu in der Lage, nur etwa 200 Milliwatt an optischer Energie ohne irgendeine Form an Kühlung zu erhalten. Somit ist das Lasermodul gemäß der vorliegenden Erfindung in der Lage, Größenordnungen an optischer Energie zu erzeugen, die größer als bei dem Stand der Technik sind. Eine derartige Vorrichtung mit hohem optischem Ausgang weist viele Verwendungen auf, wenn sie bei vernünftigen Kosten geeignet gepackt, fokussiert und gekühlt werden kann. Einige dieser Anwendungen umfassen die Markierung von Substraten mit alphanumerischer Information, medizinische Anwendungen, Setzen von Drucktypen mittels Laser (Laser-Setting), Desktop Manufacturing, Herstellung von Halbleitervorrichtungen und viele andere. Kurz gesagt besteht ein Bedarf an einem Lasermodul mit hohem Ausgang bei niedrigen Kosten, das von einem Markt gut aufgenommen würde.
Wie beschrieben worden ist, war der Stand der Technik bisher nicht dazu in der Lage, einen derart hohen Ausgang ohne erhebliche zusätzliche Kosten zu erzeugen, um Kühl- und Linsensysteme außerhalb des Moduls beizufügen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile durch Integration derselben in das Modul auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise zu überwinden.
Bestehende Laserdioden mit niedrigerer Energie (weniger als ein Watt) sind gegenwärtig in drei allgemeinen Packungsformaten erhältlich. Das üblichste ist eine Packung mit offenem Kühlkörper (Wärmesenke) gewöhnlich in der Form einer C-Befestigung. Dieses Format ist zur kundenspezifischen Integration mit optischen Linsenkopplungs- und Kühlsystemen bestimmt, die an das Lasermodul angebaut werden müssen. Eine zweite Form der Packung, eine zylindrische Packung, wie beispielsweise die TO- Serie, ist auch ein übliches Format, das verwendet wird, wenn eine Kopplung mit Faseroptiken erforderlich ist, aber keine Kühlung benötigt wird oder durch Befestigung der Vorrichtung an einer kalten (gewöhnlich metallischen) Oberfläche zufriedenstellend erreicht werden kann.
Wenn ein höherer Energieausgang erforderlich ist, wird üblicherweise eine Packung für hohe Wärmelast (HHL) verwendet. Die HHL ist eine rechtwinklige Packung, die oftmals mit einer faseroptischen Kopplung versehen ist. Die Packung kann eine thermoelektrische Kühlung umfassen, erfordert aber gewöhnlich eine Befestigung an einer externen Kühlvorrichtung oder die Bereitstellung einer Unterbefestigung, die eine Mikrokanalkühlung, Aufprallkühlung (impingement cooling) oder Rückkühlung (back cooling) vorsieht. All diese hocheffizienten Kühl- und Befestigungstechniken erfordern eine weitere Integration in eine Packung, die selbst keine Faserkopplung vorsieht. Kurz gesagt bewirkt der Mangel an vereinheitlichter Konstruktion übermäßige Kosten, übermäßige Größe und begrenzt dadurch die Verwendbarkeit der Vorrichtung.
Um eine praktische Anwendung von Hochenergie-Laserdioden zu schaffen, ist es erforderlich, eine wirksame Kühlung und eine faseroptische Kopplung in einer integrierten Packung bei niedrigen Kosten vorzusehen. Es ist erforderlich, die damit in Verbindung stehenden Schwierigkeiten der rechtwinkligen HHL-Packung zu überwinden, die keine faseroptische Kopplung bei niedrigen Kosten ermöglicht und die oftmals erfordert, dass elektrische Verbindungen durch Verlöten mit einer glasisolierten Durchführung hergestellt werden müssen. Ferner ist eine derartige Packung teuer und schwierig über Schnittstellen zu verbinden.
Das IEEE Journal of Quantum Electronics, Bd. 28, Nr. 4, April 1992, Seiten 952-965 diskutiert die Entwicklung von Hochenergie- Diodenlaserarrays für Festkörper-Laserpumpen. Es betrachtet verfügbare Wellenlänge, Wirkungsgrad, Betriebstemperatur, Betriebsarten/-zyklen und Spitzen- und Durchschnittsenergiepegel oder -dichten. Es definiert eine Packungsarchitektur, die auf eine ökonomische Art und Weise auf den breitesten Bereich von Pumpenanwendungen und -anwendungen gerichtet ist, und stellt einen Bereich derartiger Packungsanwendungen vor.
Die EP-A-0631164 offenbart ein Modul mit optischem Element mit einem Stab, auf welchem eine Laserdiode und eine erste Linse zur Umwandlung von emittiertem Licht der Laserdiode in paralleles Licht oder quasiparalleles Licht befestigt ist, einer zweiten Linse zum Fokussieren des parallelen Lichtes oder des quasiparallelen Lichtes, das durch die erste Linse konvertiert wird, einer Lichtleitfaser, die optisch mit der Laserdiode über die ersten und zweiten Linsen gekoppelt ist, und einer Packung zur Aufnahme und zur Fixierung der obigen Elemente. Die Laserdiode bildet ein optisches Element. Der Stab umfasst eine Stufe mit einer Abmessung, so dass die Laserdiode übereinstimmend mit der optischen Achse der ersten Linse ausgebildet ist. Die erste Linse ist fest in einem Linsenhalter befestigt, der fest in Kontakt mit einer vertikalen Fläche der Stufe befestigt ist. Eine Abmessung zwischen einer Fläche der Stufe, die an den Linsenhalter angrenzt, und einer fixierten Position der ersten Linse ist gleich einem Raum festgelegt, der zur Umwandlung des emittierten Lichtes der Laserdiode in das parallele Licht oder das quasiparallele Licht geeignet ist.
Erfindungsgemäß ist ein Lasermodul mit integrierter Kühlung vorgesehen, das umfasst: (a) einen ersten Körperabschnitt, der ein Laserdiodenarray trägt und Mittel zur Kühlung des Arrays umfasst; und (b) einen zweiten Körperabschnitt, der mit dem ersten Körperabschnitt verbunden ist und eine Linsenunteranordnung trägt, um Laserenergie vom dem Array aufzunehmen und dieses als einen Strahl entlang eines optischen Weges zu projizieren, wobei die Paarungsbeziehung zwischen den ersten und zweiten Körperabschnitten derart ist, dass das Laserdiodenarray des ersten Körperabschnittes mit der Linsenunteranordnung des zweiten Körperabschnittes während eines Zusammenbaus des Lasermoduls ausgerichtet werden kann, wobei die Linsenunteranordnung in einem optischen Koppler angeordnet ist, der an dem zweiten Körperabschnitt befestigt ist, wobei die Linsenunteranordnung Kollimierungs- und Objektivlinsen umfasst, um den Laserstrahl entlang des optischen Weges zu fokussieren, wobei die Paarungsbeziehung zwischen dem optischen Koppler und dem zweiten Körperabschnitt derart ist, dass die Linsenunteranordnung des optischen Kopplers relativ zu dem zweiten Körperabschnitt und daher dem Laserdiodenarray des ersten Körperabschnittes positioniert sein kann, um den Laserstrahl genau entlang des optischen Weges zu fokussieren.
Ein Lasermodul in einer zylindrischen Form gemäß der vorliegenden Erfindung weist den Vorteil auf, dass es eine direkte Wasserkühlung des Laserchips und eine integrierte faseroptische Kopplung umfasst und leicht mit elektrischen Verbindungen zu verbinden und von diesen zu trennen ist.
Die Erfindung wird nun nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Konzeptes der Erfindung ist, die ein zylindrisches Lasermodul umfasst, das zur Verbindung mit einem Lichtwellenleiterkabel geeignet ist;
Fig. 2A eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist;
Fig. 2B eine Draufsicht auf die Scheibe ist, auf welcher das Diodenmodul befestigt ist;
Fig. 2C eine Seitenschnittansicht der Scheibe von Fig. 2B ist, die Kühlmittel- und Befestigungseinzelheiten zeigt;
Fig. 3A eine Seitenschnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist;
Fig. 3B und 3C Schemas im Schnitt sind, die die Art und Weise veranschaulichen, auf welche das Modul der Fig. 3A mit einem Kühlverteiler gekoppelt ist;
Fig. 4A eine dritte Ausführungsform der Erfindung zeigt, die einen rohrförmigen Durchgang für das flüssige Kühlmittel verwendet, und bei welcher das Lasermodul direkt an der Verrohrung befestigt ist;
Fig. 4B die elektrischen Verbindungen für die Ausführungsform von Fig. 4A zeigt;
Fig. 4C eine vergrößerte perspektivische Ansicht der Ausführungsform von Fig. 4A ist;
Fig. 5 eine vierte Ausführungsform der Erfindung ist, die eine vereinfachte und bei einigen Anwendungen bevorzugte Ausführungsform zeigt, bei der das flüssige Kühlmittel radial in das zylindrische Modul eingeführt wird;
Fig. 6 eine fünfte und derzeit bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist;
Fig. 6A eine perspektivische Explosionsansicht der Ausführungsform von Fig. 6 ist; und
Fig. 6B eine perspektivische Explosionsansicht im vergrößernden Maßstab der Laserbefestigung und des Kühlmittelrohres ist.
In Fig. 1 ist ein Konzept eines zylindrischen Lasermoduls gezeigt. Die Laserdioden sind auf einem Substrat befestigt, das bei 10 innerhalb eines zylindrischen Körpers 12 positioniert ist. Elektrische Kontakte zu den Lasern sind an dem zylindrischen Körper bei 14 vorgesehen. Eine Kollimatorlinse 16 und eine Objektivlinse 18 dienen dazu, die Strahlen von dem Laser in einen einzelnen Strahl zu kollimieren (bündeln) und zu fokussieren, der zur Kopplung mit einer Faseroptik geeignet ist. Als Teil des Lasermodules ist integral ein modifizierter ST-Koppler 20 vorgesehen. Somit wird ein faseroptisches Kabel oder ein Lichtleiter oder dergleichen einfach mit dem ST-Koppler verbunden und koppelt automatisch die Faseroptik mit dem Laserausgang, wenn dieser durch die Objektivlinse 18 gelangt. In Fig. 1 ist nicht die Art und Weise gezeigt, auf welche dieses Modul befestigt und gekühlt werden kann.
In den Fig. 2A-C ist eine erste Ausführung der Erfindung gezeigt. Eine Keramikscheibe 30 weist darauf befestigt an ihrem Zentralabschnitt einen Lasermodulchip 32 auf (Fig. 2B und 2C). Elektrische Verbindungen zu dem Modul sind an dem Außenumfang der zylindrischen Befestigung zur letztendlichen Verbindung mit dem Laserchip 32 platziert. Somit wird, wie in Fig. 2C gezeigt ist, die Elektrode 34 mit dem Chip verbunden. Der Chip selbst ist vorzugsweise nicht direkt an der Keramik befestigt, sondern an einer industriellen Diamantunterbefestigung 36.
Der Ausgang von dem Lasermodul wird durch ein Linsensystem an einen faseroptischen Ausgang gekoppelt. Zu diesem Zweck ist eine Keramikscheibe 30 an einem Kunststoffkörper 40 befestigt. Dies wird, wie in Fig. 2A gezeigt ist, durch Einsetzen von Epoxidharz in Öffnungen 42 erreicht, um so Epoxidverbundstellen 44 um den Umfang der Scheibe 30 zu erzeugen, die den Kunststoffkörper 40 damit verbinden. Somit weist der Kunststoffkörper 40 eine mit Epoxidharz daran befestigte Keramikscheibe 30 auf. Die Keramikscheibe umfasst zwei elektrische Kontaktbänder, die um ihren Umfang angeordnet sind und die elektrische Schnittstelle für eine Laserenergieversorgung (nicht gezeigt) vorsehen. Der Laser und der Diamant werden in das Keramiksubstrat eingesetzt, daran befestigt und ein elektrischer Kontakt wird unter Verwendung einer Standardkugelverbindung oder von Bandverbindungen hergestellt, wie in der Fig. 2C bei 34 gezeigt ist. Um den Umfang der Schnittstelle kann ein Konstruktionsklebstoff vorgesehen sein, um eine hermetische Dichtung gegen den Eintritt von Feuchtigkeit sicherzustellen.
Der Koppler vom ST-Typ ist in Fig. 2A bei 46 gezeigt. Der Koppler ist mit dem Kunststoffkörper 40 durch Schraubengewinde wie bei 48 verbunden. Innerhalb des Kopplers ist in einer Ausnehmung 50 eine sphärische Objektivlinse 80 befestigt.
Eine Kollimatorlinse 16 ist dahinter befestigt. Wenn der Koppler 46 in den Kunststoffkörper 40 eingeschraubt wird, wird eine Ausrichtung erreicht, die sicherstellt, dass die Linse den Ausgang der Laservorrichtung genau fokussiert. Anschließend wird der Koppler korrekt positioniert, Epoxidharz kann permanent in den Schraubengewinden vorgesehen werden, um den Koppler bezüglich des Kunststoffkörpers 40 zu sichern, der seinerseits mit der Keramikscheibe 30 verbunden ist. Dies beseitigt den Bedarf nach einer faseroptischen Anschlussleitung.
Somit sind die Kollimatorlinse und die Fokussieroptik innerhalb des ST- Kopplers 46 befestigt, der in das Kunststoffgehäuse geschraubt ist. Die Steigung der Gewinde, die in dem Koppler und im Kunststoffkörper enthalten sind, ermöglichen eine genaue Fokussierung des Laserstrahles in einer Faseroptik 52. Seitliche Positionierungseinstellungen werden durch Bewegendes Kunststoffkörpers über die Oberfläche der Keramik ausgeführt, um eine maximale Lichtkopplung in die Faser zu erreichen. Eine Winkeleinstellung wird durch die Drehung des Kunststoffgehäuses bezüglich der Keramikbasis ausgeführt. Eine optische Ausrichtung wird durch Einspritzen von Klebstoff zwischen den Kunststoffkörper 40 und die Keramikbasis 30 fixiert, um eine durchgängige Verbindung zu bilden. Vorzugsweise wird anschließend ein Metall- oder Kunststoffhaltering angebracht, um die bauliche Einheit des Außenkörpers zu verbessern.
Das soweit beschriebene Modul ist über eine Schnittstelle mit einer Kühlvorrichtung verbunden. Die Position der Kühlvorrichtung ist in Fig. 2A allgemein mit 60 angegeben. Wie in Fig. 2C gezeigt ist, erlaubt die Kühlvorrichtung, dass ein flüssiges Kühlmittel in einem Kanal 62 in der Keramikscheibe 30 zirkulieren kann. Der Kanal 62 steht in Kontakt mit dem Diamanten 36, auf welchem das Lasermodul 32 zu Wärmeableitungzwecken befestigt ist. Vorzugsweise geht die Kühlvorrichtung in einen Kühlmittelverteiler über, der ein Rückschlagventil aufweist, um zu verhindern, dass das Kühlmittel die Keramik solange nicht erreichen kann, bis der Verteiler daran befestigt worden ist. Es kann ein anderes Ventil vorgesehen sein, um ein Leck zu verhindern, wenn der Kühlmittelverteiler von dem Modul getrennt ist. Somit wird eine Kühlung für die Laserdiode zusammen mit einem Mechanismus zur schnellen Trennung des Lasermoduls von der Kühlmittelquelle vorgesehen. Geeignete Trennmerkmale und Verteiler sind in den nachfolgenden verbleibenden Ausführungsformen detailliert beschrieben.
In den Fig. 3A-C ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist der ST-Koppler 70 und der Kunststoffkörper 72 gleich denen der ersten Ausführungsform, und die Fokussier- und Kollimatorlinsen sind in ähnlicher Weise befestigt. Somit ist ein ST- Koppler 70 an einem Kunststoffkörper 72 befestigt. Die Linsen 74 sind an dem Koppler befestigt und bewegen sich relativ zu dem Kunststoffkörper, bis eine richtige Fokussierung und Ausrichtung erreicht ist. Anschließend wird Epoxidharz dazu verwendet, den Zusammenbau dauerhaft miteinander zu befestigen. Ein Konstruktionsstützring 78 ist um die Anordnung herum eingesetzt. Bei dieser Ausführungsform ist die Laserdiode 77 in einem Hohlraum 79 an einem Diamantsubstrat 80 befestigt, das an dem Kunststoffblock 82 befestigt ist. Dabei ist die Abwesenheit der Keramikscheibe hervorzuheben, die bei der ersten Ausführungsform verwendet ist. In dem Block 82 ist eine Kühlvorrichtung integriert, die mit dem Substrat 80 in Kontakt steht und dazu ausgebildet ist, mit einem Kühlverteiler in Eingriff zu treten, wie in den Fig. 3B und 3C gezeigt ist.
Die Ausrichtungsvorgehensweise ist relativ unkompliziert. Der Koppler 70, der die Linsen 74 umfasst, wird stationär gehalten, während der Kunststoffblock oder die Kunststoffbasis 82, die das Diamantsubstrat 80 umfasst, auf welchem die Laserdiode 77 befestigt ist, bewegt wird, während die Diode einen Laserstrahl erzeugt. Der Strahl wird mit der Zentrallinie der Linsen 74 ausgerichtet. Wenn dies erfolgt, wird das Epoxidharz, wie vorher beschrieben, eingespritzt, um die Basis und den Koppler miteinander zu sperren. Der Ausrichtungsvorgang kann in einer Ausrichtungsvorrichtung erreicht werden, die typischerweise eine Ausrichtungsbasis und einen Beobachtungsstand umfasst. Die Basis erlaubt eine Drehung um 360º wie auch eine XY-Translationsbewegung. Eine faseroptische Hülse, die beispielsweise mit einer CCD-Kamera gekoppelt ist, ist mit einem Monitor verbunden. Sobald beobachtet wird, dass der Laserstrahl in seiner optimierten Stellung ist, wird das Epoxidharz eingespritzt. Anschließend wird der Konstruktionstützring 78 festgezogen, um eine zusätzliche mechanische Haltekraft vorzusehen.
In den Fig. 3B und 3C sind Einzelheiten der Kühlvorrichtung und ihrer Verbindung mit einem Verteilerkoppler 96 gezeigt. In Fig. 3C ist zu sehen, dass der Block 82 einen hufeisenförmigen Hohlraum 84 umfasst, durch welchen ein flüssiges Kühlmittel strömen und mit dem Diamanten 80 in Kontakt treten kann, auf welchem die Laserdiode angeordnet ist. Ein Wasserkoppler 86 ist an dem hinteren Block 82 beispielsweise durch Epoxidharz oder ein anderes Mittel befestigt. Der Wasserkoppler 86 umfasst eine Zentralbohrung 88, die mit dem hufeisenförmigen Kanal 84 in Verbindung steht, und eine Austrittsöffnung 90. Wie durch die Pfeile in Fig. 3C gezeigt ist, dient die Kanalverbindung dazu, um zu ermöglichen, dass flüssiges Kühlmittel durch die Zentralbohrung 88 eintreten kann, durch den hufeisenförmigen Kanal 84 zirkulieren kann, um dadurch mit dem Diamanten 80 in Kontakt zu treten und von diesem Wärme abzuleiten, und schließlich durch Öffnung 90 austreten kann. Die Wasserkopplung 86 endet in einem nippelförmigen Anschlussstück 92 mit einem O- Ring 94, um eine Leckage zu verhindern. Das Anschlussstück 92 ist derart ausgebildet, dass es in einem Verteilerkoppler 96 (Fig. 3B) aufgenommen werden kann, der seinerseits an einer Quelle für flüssiges Kühlmittel befestigt ist.
In Fig. 3B sind die Einzelheiten des Verteilerkopplers 96 gezeigt. Das nippelförmige Anschlussstück 92 ist in der Aufnahme 98 aufgenommen, wobei der O-Ring 94 eine Leckage verhindert. Flüssigkeit fließt von einer Lieferleitung 100 in die Zentralbohrung 88, wenn die beiden Einheiten aneinander befestigt sind. Kühlmittel, das zirkuliert worden ist, wird von dem Modul durch die Auslassöffnung 90 in die Rohrleitung 102 in dem Koppler 96 an eine Wärmetauschervorrichtung rückgeführt, die Wärme von dem Kühlmittel entfernt, so dass diese zum weiteren Gebrauch rezirkuliert werden kann.
Vorzugsweise koppelt der Verteilerkoppler 96 nicht nur das flüssige Kühlmittel an das Lasermodul, sondern trägt auch die elektrischen Kontakte, die das Lasermodul mit Energie versorgen. Wie in Fig. 3B gezeigt ist, sind Federkontakte 104 und 106 an dem Außenumfang des Kopplers vorgesehen. Es sei angemerkt, dass die Kontakte in Federarmen 108 und 110 enden, die dazu bestimmt sind, mit elektrischen Kontaktflächen 112 und 114 an dem Außenumfang des Blockes 82 in Fig. 3C in Eingriff zu treten.
Zusammenfassend umfasst die zweite Ausführungsform einen vorgeformten Kunststoffblock 82 mit einem Fluidkoppler, der auch als Befestigungsbasis für das zylindrische Lasermodul dient. Dies verringert die Größe der Laserunterbefestigung prinzipiell durch Beseitigung des Keramikaufbaues der ersten Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform ist die Laserunterbefestigung teilweise in das Kühlfluid eingetaucht. Dies bedeutet, ein Abschnitt des Diamanten, auf dem das Lasermodul befestigt ist, ist in dem hufeisenförmigen Kanal 84 angeordnet (siehe Fig. 3C). Schließlich sind bei dieser Ausführungsform die elektrischen Kontakte an dem Verteilerkoppler so angeordnet, um ein schnelles Trennmerkmal für sowohl die Elektrik als auch die Kühlung zu bilden, die für das Modul erforderlich sind.
In den Fig. 4A und B ist eine dritte Ausführungsform der Verbindung gezeigt. Diese Ausführungsform ist für Anwendungen geeignet, die einen höheren Kühlmittelfluss erfordern, um eine erhöhte Wärmelast abzuleiten. Eine derartige Anwendung tritt beispielsweise während eines quasi kontinuierlichen Wellenbetriebes (CW) auf. Bei der Ausführungsform der Fig. 4A und 4B ist die hufeisenförmige Rohrleitung 84 von Fig. 3 und der Kanal 88 durch ein Kupferrohr 110 ersetzt, das in der Form des Buchstaben C ausgebildet ist. Eine Diamantunterbefestigung 114, an der das Laserdiodenmodul befestigt ist, wird durch eine Öffnung in dem Rohr 110 zur direkten Kühlung durch die Flüssigkeit eingesetzt. Es wird an der Stelle unter Verwendung von Lot oder eines Klebstoffes befestigt.
Wie in Fig. 4B gezeigt ist, können die elektrischen Kontakte 116 und 118 Anschlusslaschen sein, die in dem Kunststoffgehäuse geformt sind und die positiven und negativen Anschlüsse darstellen. Kontakte, die an der Laserdiode und der Laserunterbefestigung befestigt sind, sind an die Anschlusslaschen gelötet. Diese Konstruktion ist gegenüber den anderen Konstruktionen für eine hohe Wärmeableitung bevorzugt, da das Kupferrohr 110 einen relativ einfachen geraden Einwärts- und Auswärtsweg aufweist, der beim Ableiten von Wärme effizienter ist. Zusätzlich kann das Rohr vor einer Anbringung in der Gehäuseanordnung leckdicht getestet und überprüft werden. Auch ist eine Ausrichtung leichter infolge der gelockerten Toleranzen der Rohrkonstruktion gegenüber den fixierten Toleranzen der geformten Ausführungsform der Fig. 3B und 3C.
Die in Fig. 4A gezeigte Konstruktion ist derart ausgebildet, dass sie an einer Quelle für flüssiges Kühlmittel mittels eines geeigneten Verteilerkopplers des Typs befestigt werden kann, der allgemein in Fig. 3B gezeigt ist. Die O-Ringe 120 und 122, die in den Fig. 4A und B gezeigt sind, sind zur Abdichtung der Einheit an einem derartigen Verteilerkoppler vorgesehen. Wie in den Zeichnungen gezeigt ist, ist das Kupferrohr 110 an den Eingangs- und Ausgangspunkten 124 und 126 rund. Sein Querschnitt ist an seinem zentralen Abschnitt jedoch vorzugsweise rechtwinklig, wie in Fig. 4C in der perspektivischen Ansicht gezeigt ist. Dieser Abschnitt des Kupferrohres 128 ist ausgekerbt, um die Laserunterbefestigung 129 aufnehmen zu können, die anschließend mittels Epoxidharz oder Lot an der Stelle befestigt wird. Die Laserdiode wird an der oberen Fläche der Unterbefestigung angeordnet. Eine Alternative, die mit dieser Konstruktion möglich ist, ist die vollständige Beseitigung der Diamantenunterbefestigung. Die Laserdiode kann direkt an der Verrohrung 110 an deren Außenseite befestigt werden, wodurch die Konstruktion und der Herstellungsprozess weiter vereinfacht wird.
In Fig. 5 ist eine vierte Ausführungsform des Lasermoduls gemäß der Erfindung gezeigt. Bei dieser Ausführungsform dient der ST-Koppler wiederum als Linsenbefestigung. Der Koppler 130 weist die darin befestigte Linsenanordnung 132 auf. Ein Haltering 140 befestigt die ST-Kopplung und das Gehäuse 136 fest nach dem Ausrichtungs- und Zusammenbauvorgang. Die Laserdiodenunterbefestigung 138 wird direkt an ein Kupferrohr 140 gelötet, das sich radial durch die zylindrische Packung erstreckt. Der rückwärtige Abschnitt der Laserunterbefestigung ist dem Fluidkühlmittel durch eine Öffnung in dem Rohr 140 direkt ausgesetzt. Das Rohr 140 ist zwischen einer Basis 142, die mit dem ST-Kopplungsblock 130 zusammenpasst, und dem vorwärts gerichteten Abschnitt des Gehäuses 136 angeordnet. Das flüssige Kühlmittel wird an das Rohr 140 mittels einsetzbarer Stopfen 144 und 146 und elastomerer Rohre 154 und 156 geliefert. Diese Rohre sind derart ausgebildet, um mit jedem Ende des Rohres 140 in Eingriff treten zu können, um dadurch eine Rohrleitung zu bilden, durch welche Flüssigkeit in und aus dem Modul in einem geraden Weg transportiert werden kann, um dadurch den Fluiddruckabfall zu verringern.
In der Basis 142 sind Gewindebohrungen 150 und 152 angeordnet. Schrauben sind in den Bohrungen zu dem Zwecke angeordnet, um eine Ausrichtung des Lasermoduls während des Zusammenbaus zu ermöglichen. Wie gezeigt ist, liegen die Schrauben an dem Rohr 140 an, welches seinerseits die Laserdiode 138 trägt. Durch Einstellung der Winkelstellung der Kupferverrohrung unter Verwendung dieser Schrauben ist es möglich, den Lasermodulausgang präzise mit der Linse 132 auszurichten, nachdem der Gehäuse- und ST-Kopplerblock sicher befestigt worden ist. Anschließend können die Schrauben dauerhaft in den Bohrungen 150 und 152 befestigt werden, um eine Änderung der Ausrichtung zu verhindern. Aufgrund ihres einfachen komplikationslosen Aufbaus ist diese Ausführungsform von Fig. 5 hocheffizient, einfach herzustellen und zu betreiben, und das bei relativ niedrigen Kosten im Vergleich zu dem Stand der Technik. Die elektrischen Verbindungen mit dem Lasermodul können auf eine Vielzahl verschiedener Wege, die in Verbindung mit den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben sind, oder anhand anderer Wege ausgeführt werden, die Fachleuten bekannt sind. Für viele Anwendungen wird diese Anwendung jedoch bevorzugt.
Der Ausrichtungsvorgang wird in vier Schritten ausgeführt. Zuerst wird die Vorrichtung in einer Ausrichtungsvorrichtung befestigt, die Schnittstellen zu Wasser und zu der Antriebselektronik aufweist. Während des Betriebs mit einer niedrigen Betriebsart ist ein faseroptisches Bilderzeugungskamerasystem an dem ST-Koppler befestigt. Der Kunststoffkörper wird anschließend gedreht, um die Fokussiereinstellung auf minimale Punktgröße (bester Fokus) einzustellen, während der Koppler fixiert gehalten wird. Bei dem zweiten Schritt wird die Seitenwinkeleinstellung ausgeführt, bis der Laserdiodenausgang bezüglich der Ebene normal ist, die durch die Grenzfläche des Körpers und des Optikgehäuses definiert ist. Bei dem nächsten Schritt wird die Winkelstellung der Kollimatorlinse mit dem Laserdiodenausgang ausgerichtet. Zu diesem Zweck wird das Optikgehäuse gedreht, bis ein symmetrisches kollimiertes Strahlenprofil erhalten wird. Schließlich wird eine Seiteneinstellung des Optikgehäuses hergestellt, um den Energieausgang zu maximieren. An diesem Punkt kann die gesamte Anordnung mit Epoxid vergossen werden, wie vorher beschrieben wurde, um die optische Ausrichtung der Vorrichtung dauerhaft zu sichern und diese gegen einen ungewollten Eintritt von Feuchtigkeit hermetisch abzudichten.
Die Ausführungsform von Fig. 6 ist ähnlich zu der Ausführungsform von Fig. 5 mit einigen Ausnahmen. Bei der Ausführungsform von Fig. 6 ist die Länge des Kühlmittelrohres kürzer, als bei der Ausführungsform von Fig. 5. Auch ist der Kühlmittelkanal mit einem rohrförmigen Anschlussstück versehen, das ausgebildet ist, um mit einem Schnelltrennkoppler 202 in Eingriff treten zu können. Genauer unterscheidet sich die Ausführungsform von Fig. 6 von der Ausführungsform von Fig. 5 durch Verwendung eines zweiteiligen Anschlussstückes, um eine bessere Ausrichtung der Anordnung zu erlauben. Das optische Gehäuse 136 nimmt schraubbar ein Linsenanschlussstück 204 auf, das die Linsenanordnung 132 enthält. Dies erlaubt eine genaue Fokussierung des Ausganges von dem Laser 138, nachdem das Anschlussstück 204 mit Epoxid an der Stelle befestigt ist, wie vorher beschrieben wurde.
Es ist ein separates faseroptisches Anschlussstück 206 vorgesehen, das die ST-Koppleranordnung 208 trägt, die dazu bestimmt ist, mit einem faseroptischen Kabelelement in Eingriff zu treten. Das Anschlussstück 206 liegt verschiebbar an dem Linsenanschlussstück 204 an, um eine Ausrichtung des faseroptischen Elementes mit dem Ausgang der Linsenanordnung 132 zu ermöglichen. Bei richtiger Ausrichtung wird dieses an der Stelle befestigt und durch ein separates Halteringelement 210 ähnlich eines Halteringes 134 befestigt, der nun nur das Linsenanschlussstück 206 befestigt.
Zusammengefasst ist die Ausführungsform von Fig. 6 eine geringfügige Verbesserung gegenüber der Ausführungsform von Fig. 5, da diese eine genauere und leichtere Ausrichtung des Linsensystemes mit dem Laser und der Faseroptik mit dem Linsensystem ermöglicht. Der Ausrichtungsvorgang ist ähnlich demjenigen, der in der Ausführungsform von Fig. 5 beschrieben ist, und ist so modifiziert, um den separaten Anschlussstücken 204 und 206 Rechnung zu tragen.
Fig. 6A ist eine perspektivische Explosionsansicht der Ausführungsform von Fig. 6. Es sind insbesondere das Laserelement 138, das innerhalb des Kühlmittelrohres 140 angeordnet ist, und die elektrischen Kontakte 220 und 221 zu beachten, die elektrische Energie an die Diode liefern. Fig. 6B ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Abschnittes der Ausführungsform von Fig. 6, die die Art und Weise zeigt, in welcher der Befestigungsblock und die Laserdiode in einem rechtwinkligen Abschnitt des Kühlmittelrohres 140 aufgenommen sind. Die Laserdiode 230 ist auf dem Diamantsubstrat 232 befestigt, das seinerseits an dem Befestigungsblock 234 befestigt ist. Der Befestigungsblock wird anschließend als ein integrales Teil des Kühlmittelrohres 140 aufgenommen. Kühlmittel, das durch die kreisförmigen Öffnungen 250 und 252 läuft, beseitigt die Wärme, die während des Laserbetriebes erzeugt wird.
Da jede der vorhergehenden Ausführungsformen bestimmte Vorteile und Nachteile aufweist, hängt die Auswahl, welches Modul bevorzugt wird, von der Anwendung, einschließlich des erforderlichen Ausganges, von Kostenbetrachtungen und anderen Faktoren ab. Dennoch offenbart die vorliegende Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen ein zylindrisches Lasermodul, das kostengünstig ist, leicht zusammengebaut und ausgerichtet werden kann, in dem ausgerichteten Zustand dauerhaft befestigt werden kann und schnell mit einer Versorgung für flüssiges Kühlmittel und einer Laserenergieversorgung verbunden und von der selben wieder getrennt werden kann. Diese Fähigkeit und die Merkmale der Vorrichtung sind bisher noch nicht verfügbar gewesen.

Claims

1. Lasermodul mit integrierter Kühlung mit: (a) einem ersten Körperabschnitt (30), der ein Laserdiodenarray (32) trägt und Mittel (60, 62, 36) zur Kühlung des Arrays (32) umfaßt; und (b) einem zweiten Körperabschnitt (40), der mit dem ersten Körperabschnitt (30) verbunden ist und eine Linsenunteranordnung (16, 18) trägt, um Laserenergie vom dem Array (32) aufzunehmen und dieses als einen Strahl entlang eines optischen Weges zu projizieren, wobei die Paarungsbeziehung zwischen den ersten und zweiten Körperabschnitten (30, 40) derart ist, daß das Laserdiodenarray (32) des ersten Körperabschnittes (30) mit der Linsenunteranordnung (16, 18) des zweiten Körperabschnittes (40) während eines Zusammenbaus des Lasermoduls ausgerichtet werden kann, wobei die Linsenunteranordnung (16, 18) in einem optischen Koppler (46) angeordnet ist, der an dem zweiten Körperabschnitt (40) befestigt ist, wobei die Linsenunteranordnung (16, 18) Kollimierungs- und Objektivlinsen (16, 18) umfaßt, um den Laserstrahl entlang des optischen Weges zu fokussieren, wobei die Paarungsbeziehung zwischen dem optischen Koppler (46) und dem zweiten Körperabschnitt (40) derart ist, daß die Linsenunteranordnung (16, 18) des optischen Kopplers (46) relativ zu dem zweiten Körperabschnitt (40) und daher dem Laserdiodenarray (32) des ersten Körperabschnittes (30) positioniert sein kann, um den Laserstrahl genau entlang des optischen Weges zu fokussieren.

2. Modul nach Anspruch 1, wobei der optische Koppler (46) ein Mittel zur Kopplung eines externen Lichtleiterkabels mit dem optischen Weg umfaßt.

3. Modul nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Körperabschnitt (40) mit dem ersten Körperabschnitt (30) verbunden ist.

4. Modul nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei der erste Körperabschnitt (30) eine Keramikscheibe (30) umfaßt, auf der das Laserdiodenarray (32) befestigt ist.

5. Modul nach Anspruch 4, wobei das Laserdiodenarray (32) an der Scheibe (30) über ein Diamantsubstrat (36) befestigt ist.

6. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mittel (60, 62, 36) zur Kühlung des Arrays (32) ein Mittel (62) zur Zirkulation eines flüssigen Kühlmittels in thermischer Beziehung zu dem Diodenarray (32) umfaßt.

7. Modul nach Anspruch 6, wobei das Mittel (62) zur Zirkulation einen Kanal (62) in thermischer Beziehung zu dem Diodenarray (32) umfaßt, durch welchen das Kühlmittel zirkuliert.

8. Modul nach Anspruch 7, wobei das Diodenarray direkt an dem Kanal befestigt ist.

9. Modul nach Anspruch 7, wobei das Diodenarray (32) an einem Substrat (36) befestigt ist, das in thermischer Beziehung zu dem Kanal (62) steht.

10. Modul nach Anspruch 9, wobei das Substrat (36) aus Diamant besteht.

11. Modul nach Anspruch 6, wobei das Mittel zur Zirkulierung ein Mittel zur Verbindung einer Kühlmittelversorgung mit dem ersten Körperabschnitt umfaßt.

12. Modul nach Anspruch 11, wobei das Mittel zur Verbindung einen Kühlmittelkoppler umfaßt, der zuläßt, daß Kühlmittel in den ersten Körperabschnitt eintreten und aus diesem wieder austreten kann, und ferner einen Verteiler für einen lösbaren Eingriff mit dem Kühlmittelkoppler umfaßt, wobei der Verteiler in Verbindung mit der Kühlmittelversorgung angeordnet ist.

13. Modul nach Anspruch 11, wobei das Mittel zur Verbindung Stopfen zum lösbaren Eingriff mit einem Rohr umfaßt, das in einem Kanal angeordnet ist, durch welches Kühlmittel strömt, wobei die Stopfen in Verbindung mit der Kühlmittelversorgung stehen und wobei das Rohr in thermischer Beziehung zu dem Diodenarray steht.