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Die
Erfindung betrifft allgemein eine Hilfsträgerbaugruppe und das zugehörige Einbauverfahren. Sie
betrifft insbesondere eine Mikrolaser-Hilfsträgerbaugruppe und das zugehörige Verfahren
zum Einbauen des Mikrolasers in ein Gehäuse.
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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 elektro-optischen Komponenten zur darunter liegenden
Wärmesinke bereitgestellt
wird.
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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 kritischer und schwieriger
geworden.
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Nach
der korrekten Montage der verschiedenen elektro-optischen Elemente
auf dem Hilfsträger wird
die Hilfsträgerbaugruppe
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 der
Hilfsträgerbaugruppe
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 der Hilfsträgerbaugruppe
im Gehäuse
und das Herstellen der elektrischen Verbindungen zwischen den leitenden
Stiften des Gehäuses
und den zugehörigen
Anschlüssen
der Hilfsträgerbaugruppe
die Leistungsfähigkeit
des elektro-optischen Systems nachteilig beeinflussen. Im Einzelnen
erfordert die Montage der Hilfsträgerbaugruppe in einem Gehäuse generell
Manipulationen an der Hilfsträgerbaugruppe, die
die Hilfsträgerbaugruppe
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
der Hilfsträgerbaugruppe
die verschiedenen elektro-optischen Komponenten nachteilig erwärmen.
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Es
sind verschiedene miniaturisierte elektro-optische Systeme entwickelt
worden, die Hilfsträger
und zugehörige
Wärmesinken
enthalten, die eine Wärmeabfuhr
für die
diversen elektro-optischen Komponenten bieten. Es besteht jedoch
nach wie vor Bedarf an verbesserten Techniken zum Ausrichten der
verschiedenen elektro-optischen Komponenten eines miniaturisierten
elektro-optischen Systems. Zudem besteht nach wie vor Bedarf an
verbesserten Gehäuseeinbautechniken,
damit man elektro-optische Systeme geeignet in Gehäuse einbauen
kann, ohne die elektro-optischen Komponenten nachteilig zu beeinflussen.
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EP-A-294167
offenbart eine Baugruppe, die einen Hilfsträger enthält, der aus einem elektrisch isolierenden
Material hergestellt ist. EP-A-331331 offenbart einen Hilfsträger, der
Vertiefungen und Nuten zum Ausrichten von Komponenten enthält.
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Es
ist daher erwünscht,
eine verbesserte Hilfsträgerbaugruppe
bereitzustellen, die einen Hilfsträger enthält, der dem Ausrichten der
entsprechenden Komponenten eines elektro-optischen Systems dient.
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Es
ist auch erwünscht,
eine verbesserte Hilfsträgerbaugruppe
bereitzustellen, die einen Hilfsträger enthält, der nicht nur die Wärme leitet,
sondern auch elektrisch isoliert, damit er dadurch die verschiedenen
elektro-optischen Komponenten isoliert, die auf dem Hilfsträger montiert
sind.
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Weiterhin
ist erwünscht,
ein verbessertes Verfahren für
den Einbau eines elektrooptischen Systems in ein Gehäuse bereitzustellen,
wobei mindestens einige der elektrooptischen Komponenten erst nachträglich auf
dem Hilfsträger
montiert werden, d. h. nach dem Anordnen der Hilfsträgerbaugruppe
in dem Gehäuse
und dem Herstellen von geeigneten elektrischen Verbindungen zwischen
den leitenden Stiften des Gehäuses
und entsprechenden Anschlüssen
der Hilfsträgerbaugruppe,
um Handhabungsvorgänge
an der Hilfsträgerbaugruppe
nach dem Montieren der verschiedenen elektro-optischen Komponenten
auf dem Hilfsträger
zu verringern.
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Gemäß einer
Ausführungsform
eines ersten Aspekts der Erfindung, die im Anspruch 1 bestimmt ist,
wird eine Hilfsträgerbaugruppe
bereitgestellt, umfassend:
eine Wärmesinke;
einen Hilfsträger, der
auf der Wärmesinke
montiert ist und gegenüberliegende
erste und zweite Oberflächen
aufweist, wobei der Hilfsträger
aus einem Wärme
leitenden und elektrisch isolierenden Material besteht, und ein
innerer Abschnitt der ersten Oberfläche des Hilfsträgers mindestens
ein Positioniermerkmal bestimmt, das dem Ausrichten der jeweiligen
Komponenten dient; und
erste und zweite Metallisierungsschichten,
die auf unterschiedlichen Abschnitten des Hilfsträgers angeordnet
sind und dadurch eine Kathode bzw. eine Anode bilden, wobei:
die
erste Oberfläche
des Hilfsträgers
eine obere Platte und eine untere Platte enthält, und das Positioniermerkmal
eine emporstehende Wand umfasst, die sich zwischen der oberen Platte
und der unteren Platte erstreckt.
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Damit
kann eine Hilfsträgerbaugruppe,
die die Erfindung ausführt,
die verschiedenen Komponenten eines elektro-optischen Systems wirksam ausrichten.
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Gemäß einer
Ausführungsform
eines zweiten Aspekts der Erfindung wird ein Verfahren zum Einbauen
eines elektrooptischen Systems in ein Gehäuse bereitgestellt, umfassend
die Schritte:
Montieren einer Hilfsträgerbaugruppe wie in Anspruch
1 bestimmt, die den Hilfsträger
enthält,
auf einer Trägerfläche eines
Gehäuses,
wobei das Gehäuse
zahlreiche leitende Stifte enthält,
die die Trägerfläche umgeben;
Herstellen
elektrischer Verbindungen zwischen den leitenden Stiften des Gehäuses und
entsprechenden Zuleitungen der Hilfsträgerbaugruppe; und
Montieren
einer Komponente auf dem Hilfsträger ausgerichtet
mit dem Positioniermerkmal, das auf der ersten Oberfläche des
Hilfsträgers
bestimmt ist, und zwar nach den Schritten des Montierens der Hilfsträgerbaugruppe
im Gehäuse
und des Herstellens der elektrischen Verbindungen damit.
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Es
wird nun beispielhaft Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen.
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Es
zeigt:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer ersten Hilfsträgerbaugruppe;
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2 eine
perspektivische Ansicht der Hilfsträgerbaugruppe in 1 montiert
in einem elektro-optischen Gehäuse;
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3 eine
perspektivische Ansicht einer zweiten Hilfsträgerbaugruppe;
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4 eine
perspektivische Ansicht einer dritten Hilfsträgerbaugruppe;
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5 eine
perspektivische Explosionsdarstellung einer vierten Hilfsträgerbaugruppe;
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6 eine
perspektivische Ansicht der Hilfsträgerbaugruppe in 5 in
zusammengebauten Zustand;
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7 eine
perspektivische Explosionsdarstellung einer Hilfsträgerbaugruppe,
die die Erfindung ausführt;
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8 eine
perspektivische Ansicht der Hilfsträgerbaugruppe in 7 in
zusammengebauten Zustand;
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9 eine
perspektivische Ansicht einer fünften
Hilfsträgerbaugruppe,
die einen segmentierten Hilfsträger
enthält;
und
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10A-10C eine Reihe
aufeinander folgender Ansichten, die ein Verfahren zum Einbauen eines
elektro-optischen Systems in ein Gehäuse erläutern, wobei das elektrooptische
System die Erfindung nicht ausführt,
und 10A eine Seitenansicht ist,
die die Montage einer Wärmesinke
und danach eines Hilfsträgers
auf der Trägerfläche eines
elektro-optischen Gehäuses
darstellt, 10B eine Draufsicht des elektro-optischen
Gehäuses
einschließlich
eines Teils der Hilfsträgerbaugruppe
darstellt und das Herstellen geeigneter elektrischer Verbindungen
zwischen den leitenden Stiften des Gehäuses und den entsprechenden
Zuleitungen der Hilfsträgerbaugruppe
erläutert,
und 10C eine Seitenansicht des entstandenen
Gehäuses
nach der Montage der elektro-optischen Komponenten auf dem Hilfsträger ist.
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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. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich durchwegs
auf gleiche Elemente.
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1 bis 6, 9 und 10 zeigen jeweils Skizzen von Hilfsträgerbaugruppen,
die die Erfindung nicht ausführen,
die jedoch im Weiteren beschrieben werden, um das Verständnis der
Erfindung zu unterstützen.
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Anhand
von 1 wird eine erste Hilfsträgerbaugruppe 10 erläutert. Die
Hilfsträgerbaugruppe kann
beliebig unterschiedliche elektro-optische Systeme tragen. Die Hilfsträgerbaugruppe
ist jedoch besonders vorteilhaft für das Tragen und Ausrichten
eines Mikrolasersystems, bei dem eine präzise Ausrichtung zwischen einer
Laserdiode 12 und einem Laserkristall oder einem anderen
aktiven Verstärkungsmedium 14 erforderlich
ist. Deshalb wird die Hilfsträgerbaugruppe
im Folgenden zusammen mit einem Mikrolasersystem beschrieben.
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Die
Hilfsträgerbaugruppe 10 umfasst
wie dargestellt eine Wärmesinke 16 und
einen Hilfsträger 18,
der auf der Wärmesinke
montiert ist. Fachleuten ist geläufig,
dass ein Element oder eine Komponente, das bzw. die als "auf" oder "montiert auf" dem darunter liegenden
Element beschrieben ist, entweder direkt auf dem darunter liegenden
Element befestigt sein kann oder einfach über dem anderen Element liegen
kann, wobei sich eine oder mehrere Zwischenschichten oder Elemente
zwischen den Elementen befinden können. Die Wärmesinke kann eine passive Wärmesinke
sein, die aus Wärme
leitendem Material ausgebildet ist, beispielsweise eine Basis aus
Silber, die mit einer Legierung aus Gold und Nickel überzogen
ist. Die Wärmesinke
kann auch eine aktive Wärmesinke
sein oder eine Wärmepumpe,
beispielsweise eine Peltierwärmepumpe
oder ein anderer thermoelektrischer Kühler. Der Begriff "Wärmesinke" bezeichnet also so, wie er hier gebraucht
wird, nicht nur Wärmesinken,
die eine Komponente durch die Aufnahme von Verlustwärme kühlen, sondern
auch Wärmepumpen,
die zusätzliche
Wärme zum
Heizen einer Komponente erzeugen.
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Der
Hilfsträger 18 ist
aus einem Wärme
leitenden Material ausgebildet, damit er einen Pfad mit geringem
Wärmewiderstand
zur Wärmesinke 16 bereitstellt.
Dieses Material ist auch elektrisch isolierend, damit es die verschiedenen
elektro-optischen Komponenten elektrisch isoliert, die auf dem Hilfsträger montiert
sind. Beispielsweise isoliert der Hilfsträger wie im Weiteren beschrieben
die Laserdiode 12 und das aktive Verstärkungsmedium 14 wirksam
gegeneinander. Man kann den Hilfsträger aus unterschiedlichen Materialien
herstellen, die Wärme
leiten und elektrisch isolieren. Man bildet ihn jedoch bevorzugt
aus Berilliumoxid, Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid aus, die sowohl
Wärme leiten
als auch elektrisch isolieren.
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Der
Hilfsträger 18 besitzt
gegenüberliegende erste
und zweite Oberflächen 18a, 18b,
wobei die erste Oberfläche
des Hilfsträgers
mindestens ein Positioniermerkmal 20 bestimmt, das dem
Ausrichten der verschiedenen elektro-optischen Komponenten dient,
die der Hilfsträger
trägt.
Die erste Oberfläche des
Hilfsträgers
kann wie im Folgenden beschrieben eine Anzahl Positioniermerkmale
bestimmen. Der Hilfsträger
in einem Beispiel bestimmt jedoch nur ein Merkmal, d. h. im Einzelnen
mehrere Vertiefungen oder Schlitze, die entsprechende Komponenten
des elektro-optischen Systems aufnehmen, die der Hilfsträger trägt.
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In
der ersten Hilfsträgerbaugruppe 10,
die in 1 abgebildet ist, bestimmt die erste Oberfläche 18a des
Hilfsträgers 18 eine
schlitzartige Vertiefung 20, die eine relativ flache Unterseite
und gegenüberliegende
nach oben verlaufende Seitenwände
hat und eine oder mehrere elektro-optische Komponenten aufnimmt,
und einen Mikroresonatorhohlraum 22, der darin angeordnet
ist und sich in der Nähe
eines Endes des Schlitzes befindet.
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Der
Mikroresonatorhohlraum 22 enthält bevorzugt ein aktives Verstärkungsmedium 14 und
einen sättigbaren
Absorber 24, der zwischen zwei Spiegeln liegt, die den
Resonanzhohlraum bestimmen. Ein Beispiel eines geeigneten Mikroresonatorhohlraums
ist im US-Patent 5,394,413 (John J. Zayhowski), veröffentlicht
am 28 Feb. 1995, beschrieben. Die Inhalte dieses Patents sind hiermit
vollständig
aufgenommen. Der Mikroresonatorhohlraum enthält ein aktives Verstärkungsmedium,
das aus einem mit Neodym dotierten Yttrium-Aluminium-Granat (YAG)
hergestellt ist. Der sättigbare
Absorber ist aus einem YAG hergestellt, der mit vierwertigem Chrom dotiert
ist. Das aktive Verstärkungsmedium
ist mit ungefähr
1,6 Atomprozent Neodym dotiert. Das aktive Verstärkungsmedium und der sättigbare
Absorber können
jedoch unterschiedliche prozentuale Dotierungen enthalten. Der Mikroresonatorhohlraum
dieser Ausführungsform
sendet Laserimpulse mit einer Wellenlänge von 1,06 Nanometer aus.
Fachleuten ist jedoch bekannt, dass man das aktive Verstärkungsmedium 14 und
den sättigbaren
Absorber 24 aus anderen Materialien herstellen kann, damit
Laser-Ausgangssignale bereitgestellt werden, die andere Eigenschaften
haben, beispielsweise andere Wellenlängen.
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Die
Hilfsträgerbaugruppe 10 in 1 enthält auch
eine Laserdiode 12, die auf der ersten Oberfläche 18a des
Hilfsträgers 18 ausgerichtet
mit dem Mikroresonatorhohlraum 22 montiert ist, und zwar
insbesondere mit dem aktiven Verstärkungsmedium 16 des
Mikroresonatorhohlraums. Damit pumpt das Ausgangssignal der Laserdiode
das aktive Verstärkungsmedium,
wodurch der Mikroresonatorhohlraum eine Folge von Laserimpulsen
aussendet. Im Weiteren wird beschrieben, dass die Laserdiode bevorzugt einen
gewissen Abstand, z. B. 20 ± 5
Mikron, vom Mikroresonatorhohlraum hat. Die Hilfsträgerbaugruppe kann
unterschiedliche Laserdioden enthalten; die Laserdiode ist jedoch
bevorzugt aus Galliumarsenid hergestellt und liefert 1,2 Watt Pumpleistung.
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Die
Laserdiode 12, siehe 1, kann
auf einem Wärmeverteiler 25 montiert
sein, der aus Wärme
leitendem Material ausgebildet ist. Dieser ist auf der ersten Oberfläche 18a des
Hilfsträgers 18 montiert.
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 Diamanten 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
Hilfsträgers
verteilt wird.
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Die
Hilfsträgerbaugruppe 10 kann
auch zahlreiche andere elektro-optische Komponenten enthalten, die
dem Mikroresonatorhohlraum 22 nachgeschaltet sind, damit
die Laserimpulse geeignet verarbeitet werden, die der Mikroresonatorhohlraum
abgibt. In der ersten Hilfsträgerbaugruppe
in 1 enthält
die Hilfsträgerbaugruppe
beispielsweise einen Frequenzverdopplungskristall 26, der
normalerweise aus KTiOPO4 besteht, d. h.
KTP. Zusätzlich
kann die Hilfsträgerbaugruppe
in 1 ein antireflektierend beschichtetes Umlenkprisma 28 und
ein silberbeschichtetes rechtwinkliges Prisma 30 enthalten,
die das Ausgangssignal des Mikroresonatorhohlraums umlenken und
anschließend
das Ausgangssignal des Mikroresonatorhohlraums in eine Richtung
leiten, die im Allgemeinen senkrecht zum Hilfsträger 18 ist. Ist der
Hilfsträger
in waagrechter Position angeordnet, so kann das Ausgangssignal des
elektro-optisches Systems also senkrecht gerichtet sein, siehe 1.
Im Einzelnen umfasst eine Hilfsträgerbaugruppe einen Mikroresonatorhohlraum,
der ein aktives Verstärkungsmedium 14 aufweist,
das aus einem mit Neodym dotierten YAG ausgebildet ist, sowie einen
sättigbaren
Absorber 24, der aus mit vierwertigem Chrom dotierten YAG
ausgebildet ist, und der Laserimpulse mit einer Wellenlänge von
1,06 Nanometer abgibt. Damit erzeugt die in 1 dargestellte erste
Hilfsträgerbaugruppe
linear polarisierte Impulse mit einer Wellenlänge von 532 Nanometer.
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Die
Hilfsträgerbaugruppe 10 umfasst
auch eine erste und eine zweite Metallisierungsschicht 32, 34,
die auf unterschiedlichen Abschnitten des Hilfsträgers 18 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 werden jedoch aus
Diffusionskontaktierungs-Kupfer hergestellt. Die erste und die zweite
Metallisierungsschicht können, wie ebenfalls
in 1 dargestellt ist, innerhalb entsprechender Vertiefungen 20 angeordnet
werden, die durch die erste Oberfläche 18a des Hilfsträgers bestimmt
sind.
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Nach
der Montage der Laserdiode 12 auf dem Hilfsträger 18 kann
man geeignete elektrische Anschlüsse
zwischen der Kathode, der Anode und der Laserdiode herstellen. Dies
wird im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren ausführlicher beschrieben.
Die Laserdiode 12 und insbesondere der Wärmeverteiler 25,
auf dem die Laserdiode in der ersten Hilfsträgerbaugruppe montiert ist,
können
auf einer der Metallisierungsschichten 32, 34 angeordnet sein.
Da der Wärmeverteiler
metallisiert ist, stellt die Montage des Wärmeverteilers auf der Metallisierungsschicht
eine elektrische Verbindung zwischen der unten liegenden Metallisierungsschicht
und der Laserdiode her. Zwischen einer Oberseite der Laserdiode
und der anderen Metallisierungsschicht können auch eine oder mehrere
Draht- oder Nadelkopfkontaktierungen hergestellt werden, siehe 1. Durch
das Anlegen einer geeigneten Spannung und eines geeigneten Stroms
an die Anode und Kathode liefert das elektro-optische System, das
die erste Hilfsträgerbaugruppe 10 trägt, das
gewünschte
Laserausgangssignal.
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Die
erste Hilfsträgerbaugruppe 10,
siehe beispielsweise 2, 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 2,
die das elektro-optische System umgeben. Stellt man geeignete elektrische
Verbindungen zwischen den leitenden Stiften des Gehäuses und
den entsprechenden Anschlüssen
der ersten Hilfsträgerbaugruppe
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.
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Ein
Hilfsträger 18 kann
unterschiedliche elektro-optische Systeme tragen, siehe 3-6 (die
sich auf zweite, dritte und vierte Hilfsträgerbaugruppen beziehen, die
die Erfindung nicht ausführen) und 7-8 (die
sich auf eine Hilfsträgerbaugruppe
beziehen, die die Erfindung ausführt). 3 (die
eine zweite Hilfsträgerbaugruppe
darstellt) zeigt beispielhaft, dass das elektro-optische System
einen Generator 40 für
vierte Harmonische enthalten kann, der normalerweise aus BBO hergestellt
wird, und der dem Frequenzverdopplungskristall 26 nachgeschaltet
ist, damit ein Ausgangssignal vierter Ordnung erzeugt wird. Eine
Hilfsträgerbaugruppe 10,
die einen Mikroresonatorhohlraum 22 enthält, der
ein aktives Verstärkungsmedium 14 aufweist,
das aus mit Neodym dotiertem YAG ausgebildet ist, und einen sättigbaren
Absorber 24, der aus mit vierwertigem Chrom dotiertem YAG
ausgebildet ist, sendet Laserimpulse mit einer Wellenlänge von
1,06 Mikrometer aus. Die in 3 dargestellte
Hilfsträgerbaugruppe
erzeugt somit linear polarisierte Impulse mit einer Wellenlänge von
266 Nanometer.
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Zusätzlich kann
das elektro-optische System einen Energiebeobachter 42 enthalten,
der dem Generator 40 für
vierte Harmonische nachgeschaltet ist und die Energie des Laserausgangssignals
misst (siehe 3). Das elektro-optische System
umfasst auch einen Strahlteiler 44, der dem Generator für vierte
Harmonische nachgeschaltet ist und dem Energiebeobachter einen Bruchteil
des Laserausgangssignals liefert und den Rest des Laserausgangssignals
in eine Richtung lenkt, die im Allgemeinen senkrecht auf dem Hilfsträger 18 steht.
Die zweite Hilfsträgerbaugruppe 10,
siehe ebenfalls 3, kann auch einen Temperatursensor 46 enthalten,
der auf der ersten Oberfläche 18a des
Hilfsträgers
montiert ist und die Temperatur des Hilfsträgers überwacht. Der Temperatursensor
ist elektrisch mit dem thermoelektrischen Kühler 16 verbunden.
Dadurch kann man den Umfang der Kühlung, die die Wärmepumpe
liefert, abhängig
von der Temperatur des Hilfsträgers einstellen.
Der Temperatursensor und der thermoelektrische Kühler sind bevorzugt so entworfen,
dass die Wärmepumpe
den Hilfsträger
auf einer relativ konstanten Temperatur hält.
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4 zeigt
eine dritte Hilfsträgerbaugruppe 10.
Wie dargestellt bestimmt der dortige Hilfsträger 18 einen Schlitz 20,
in dem ein Mikroresonatorhohlraum 22 und ein elektro-optisch
abgestimmter Wellenleiter oder ein oder mehrere nichtlineare optische Kristalle 48 angeordnet
sind. Wie beschrieben enthält
die dritte Hilfsträgerbaugruppe
auch eine Laserdiode 12, die so ausgerichtet mit dem Mikroresonatorhohlraum
montiert ist, dass das Ausgangssignal der Laserdiode den Mikroresonatorhohlraum
und insbesondere das aktive Verstärkungsmedium 14 des Mikroresonatorhohlraums
pumpt.
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Der
Hilfsträger 18,
siehe 4, kann auf der passiven Wärmesinke 16 montiert
sein, beispielsweise einer Basis aus Silber, die mit einer Legierung
aus Gold und Nickel überzogen
ist. Im Gegensatz zum eingebauten Entwurf in 2 kann der
Hilfsträger
innerhalb eines Gehäuses 50 angeordnet
sein, das zahlreiche leitende Stifte aufweist. Stellt man geeignete
elektrische Anschlüsse
zwischen den leitenden Stiften und den jeweiligen Zuleitungen der
dritten Hilfsträgerbaugruppe
einschließlich
der Anode und Kathode her, so kann man die Laserdiode passend ansteuern.
In einem Beispiel für
die dritte Hilfsträgerbaugruppe
ist das Gehäuse
aus sauerstofffreiem hoch leitfähigem
Kupfer hergestellt, das dicht abschließend auf der darunter liegenden
Wärmesinke montiert
ist, und zwar mit Hilfe von Wärmeleitfett,
Indiumfolie usw., damit der Wärmewiderstand
der Dichtung zwischen dem Gehäuse
und der Wärmesinke
so gering wie möglich
wird. Das Gehäuse
enthält
generell auch ein antireflektierend beschichtetes Fenster 52,
das mit dem KTP-Wellenleiter ausgerichtet ist, durch den die linear
polarisierten TEM00-Laserimpulse ausgesendet
werden.
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In 5 und 6 ist
eine vierte Hilfsträgerbaugruppe 10 dargestellt.
Die vierte Hilfsträgerbaugruppe
umfasst wie dargestellt einen Hilfsträger 18, der eine erste
Oberfläche 18a hat,
die eine erste Nut 54 bestimmt. Die erste Nut öffnet sich
in der ersten Oberfläche
und hat eine Unterseite 54a und zwei gegenüberliegende
Seitenwände 54b.
Die vierte Hilfsträgerbaugruppe
umfasst auch eine Laserdiode 12, die auf einer Seitenwand
der ersten Nut befestigt ist. Dabei ist die Laserdiode generell
auf einem Wärmeverteiler 25 montiert,
der selbst an der Seitenwand der ersten Nut befestigt ist. Die Laserdiode
ist so ausgerichtet, dass das Ausgangssignal der Laserdiode auf
die Öffnung
der ersten Nut in der ersten Oberfläche des Hilfsträgers gerichtet
ist. In der vierten Hilfsträgerbaugruppe
in 6 ist das Ausgangssignal der Laserdiode nach oben
gerichtet.
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Die
vierte Hilfsträgerbaugruppe 10 enthält auch
ein aktives Verstärkungsmedium 14 und
in aller Regel einen Mikroresonatorhohlraum 22, der ein
aktives Verstärkungsmedium
und einen zugehörigen sättigbaren
Absorber 24 enthält.
Der Mikroresonatorhohlraum wird von der ersten Oberfläche 18a des Hilfsträgers 18 gehalten
und überdeckt
zumindest einen Abschnitt der ersten Nut 54, in der die
Laserdiode 12 untergebracht ist. Damit pumpt das Ausgangssignal
der Laserdiode das aktive Verstärkungsmedium,
so dass eine Folge von Laserimpulsen erzeugt wird. Die erste Oberfläche des
Hilfsträgers
kann das aktive Verstärkungsmedium
in mehreren unterschiedlichen Weisen tragen. In diesem Beispiel
bestimmt die erste Oberfläche
des Hilfsträgers
bevorzugt eine Anzahl Leisten 55, die sich in die erste
Nut öffnen.
In diesem Fall können
die Kantenabschnitte des Mikroresonatorhohlraums von den zahlreichen Leisten
getragen werden, so dass er die erste Nut überbrückt und über der Laserdiode liegt. Bevorzugt bestimmt
die erste Oberfläche
des Hilfsträgers
Leisten benachbart zu jeder der gegenüberliegenden Seitenwände 54b der
ersten Nut, die die vier Ecken des Mikroresonatorhohlraums tragen,
siehe 5 und 6.
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Die
vierte Hilfsträgerbaugruppe 10 ist
bevorzugt so ausgebildet, dass die Laserdiode 12 einen passenden
Abstand zum Mikroresonatorhohlraum 22 hat. Man kann unterschiedliche
Abstände
verwenden; generell hat die Laserdiode jedoch einen Abstand von
20 ± 5
Mikron vom Mikroresonatorhohlraum. Zum Bereitstellen des gewünschten
Ab stands wird die Laserdiode bevorzugt auf dem Wärmeverteiler 25 in
der Nähe
eines seiner Enden montiert. Bemisst man den Wärmeverteiler annähernd angepasst an
die Tiefe der ersten Nut 54, so kann die Laserdiode dadurch
den richtigen Abstand zum Mikroresonatorhohlraum erhalten, dass
man den Wärmeverteiler so
an der Seitenwand der ersten Nut montiert, dass das Ende des Wärmeverteilers,
das der Laserdiode gegenüberliegt,
die Unterseite 54a der ersten Nut berührt.
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Die
erste Oberfläche 18a des
Hilfsträgers 18, siehe 5 und 6,
bestimmt auch bevorzugt eine zweite Nut 58, die sich zwischen
einer Kante des Hilfsträgers
und der ersten Nut 54 erstreckt. Die zweite Nut öffnet sich
bevorzugt in die erste Nut, und zwar an einer Position, die im Allgemeinen
mit der Laserdiode 12 ausgerichtet ist. Dadurch ist die
Laserdiode über
die zweite Nut frei zugänglich.
Wie in 5 und 6 zu sehen ist, verlaufen die
erste und die zweite Nut bevorzugt senkrecht zueinander. Damit vereinfacht
die zweite Nut die Montage der Laserdiode auf der Seitenwand 54b der
ersten Nut, da sie einen Zugang zur Seitenwand der ersten Nut in
einer Richtung gestattet, die im Allgemeinen senkrecht zur Seitenwand
ist. Die Querschnittsformen und Abmessungen der ersten und der zweiten
Nut sind im Allgemeinen gleich; dies ist jedoch nicht unerlässlich.
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5 und 6 zeigen
weiterhin, dass die vierte Hilfsträgerbaugruppe 10 auch
generell eine erste und eine zweite Metallisierungsschicht 32, 34 enthält, die
auf unterschiedlichen Abschnitten des Hilfsträgers 18 untergebracht
sind. Man kann die erste und die zweite Metallisierungsschicht innerhalb der
zugehörigen
Vertiefungen 20 anordnen, die die erste Oberfläche 18a des
Hilfsträgers
wie im Zusammenhang mit der ersten Hilfsträgerbaugruppe in 1 beschrieben
bestimmt. Die erste und die zweite Metallisierungsschicht der vierten
Hilfsträgerbaugruppe
werden jedoch auf gegenüberliegenden
Seitenwänden 54b der
ersten Nut 54 angebracht. Durch das Metallisieren des Wärmeverteilers 25,
auf dem die Laserdiode 12 montiert ist, wird eine elektrische Verbindung
zwischen der Laserdiode und der Metallisierungsschicht aufgebaut,
die die Seitenwand bedeckt, auf der die Laserdiode befestigt ist.
Wie dargestellt kann man Draht- oder
Nadelkopfkontaktierungen zwischen der Laserdiode und der Metallisierungsschicht
herstellen, die die andere Seitenwand der ersten Nut bedeckt. Durch
das Anlegen einer geeigneten Spannung und eines geeigneten Stroms
an die Metallisierungsschichten kann man die Laserdiode ansteuern,
damit sie ein Ausgangssignal erzeugt, das den Mikroresonatorhohlraum 22 pumpt,
der über der
Laserdiode liegt.
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Wie
beschrieben kann man den Hilfsträger 18 in
der vierten Hilfsträgerbaugruppe 10 auf
einer Wärmesinke 16 montieren,
beispielsweise einer Peltierpumpe oder einem anderen thermoelektrischen Kühler. Daher
bildet man den Hilfsträger
bevorzugt aus einem Wärme
leitenden und elektrisch isolierenden Material aus, z. B. Berilliumoxid,
Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid. Damit liefert der Hilfsträger einen
Pfad mit geringem Wärmewiderstand
von den elektro-optischen Komponenten zur Wärmesinke und isoliert zugleich
die verschiedenen elektro-optischen Komponenten und auch die erste
und die zweite Metallisierungsschicht wirksam elektrisch.
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Die
vierte Hilfsträgerbaugruppe 10 kann auch
innerhalb eines geeigneten elektrooptischen Gehäuses 36 montiert werden,
beispielsweise eines TO-3- oder TO-8-Gehäuses, siehe 2 und
die folgende Beschreibung. Damit kann die vierte Hilfsträgerbaugruppe
wie unten im Zusammenhang mit 10A-10C beschrieben in ein Gehäuse eingebaut werden,
damit die verschiedenen auf dem Hilfsträger 18 angebrachten
elektro-optischen Komponenten zusätzlich geschützt sind.
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Die
in 1-6 dargestellten und bereits beschriebenen
ersten bis fünften
Hilfsträgerbaugruppen 10 (die
die Erfindung nicht ausführen)
enthalten einen Hilfsträger 18,
der eine erste Oberfläche 18a besitzt,
die eine oder mehrere Vertiefungen 20 bestimmt, die jeweils
elektro-optische Komponenten aufnehmen und ausrichten. Jede Hilfsträgerbaugruppe
und insbesondere jeder Hilfsträger
kann jedoch verschiedene andere Arten von Positioniermerkmalen zum
Ausrichten der jeweiligen Komponenten bestimmen. 7 und 8 zeigen
eine Hilfsträgerbaugruppe,
die die Erfindung ausführt
und einen Hilfsträger
umfasst, der eine erste Oberfläche
hat, die eine obere Platte 18c und eine untere Platte 18d enthält. Gemäß dieser
Ausführungsform
ist das Positioniermerkmal, das der Hilfsträger bestimmt, eine emporstehende
Wand 18e, die sich zwischen der oberen und der unteren
Platte erstreckt. Die elektro-optischen Komponenten können wie
dargestellt exakt bezüglich
der emporstehenden Wand angeordnet werden, so dass die Komponenten
ausgerichtet sind.
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Beispielsweise
kann man den Mikroresonatorhohlraum 22 und ein rechtwinkliges
Prisma 59 auf der unteren Platte 18d benachbart
zur emporstehenden Wand 18e anbringen, und man kann eine
Laserdiode 12 auf der oberen Platte 18c so ausgerichtet mit
dem Mikroresonatorhohlraum befestigen, dass das Ausgangssignal der
Laserdiode das aktive Verstärkungsmedium 14 des
Mikroresonatorhohlraums pumpt. In der Regel hat die Laserdiode einen
Abstand von 20 ± 5
Mikron zum Positioniermerkmal 20, d. h. zur emporstehenden
Wand, damit der richtige Abstand zwischen der aussendenden Facette
der Laserdiode und dem Mikroresonatorhohlraum vorhanden ist. Auf
unterschiedlichen Abschnitten des Hilfsträgers 18 sind, siehe 7 und 8,
eine erste und eine zweite Metallisierungsschicht 32, 34 angebracht.
Die obere Platte des Hilfsträgers
kann – dies
ist nicht dargestellt – bei
Bedarf jeweils Vertiefungen bestimmen, in denen die erste und die
zweite Metallisierungsschicht untergebracht sind. Da der Hilfsträger nicht
nur Wärme
leitet sondern auch elektrisch isoliert, kann die Hilfsträgerbaugruppe 10 die verschiedenen
elektro-optischen Komponenten und die erste und die zweite Metallisierungsschicht
wirksam elektrisch isolieren.
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Die
Hilfsträgerbaugruppe 10 in 7 und 8 enthält auch
eine Wärmesinke 16,
beispielsweise einen thermoelektrischen Kühler. Herkömmliche thermoelektrische Kühler, siehe 7 und 8,
enthalten ein oder mehrere Elemente, die normalerweise aus Wismuttellurid
bestehen und zwischen zwei Wärme
leitenden Platten liegen, beispielsweise Platten aus Aluminiumoxid.
Wie in 1-6 im Zusammenhang mit der ersten
bis vierten Hilfsträgerbaugruppe
dargestellt ist, kann der Hilfsträger 18 in einer Ausführungsform
der Erfindung auch als obere Platte des thermoelektrischen Kühlers dienen,
so dass der Hilfsträger
und die Wärmesinke 16 ein
Bauteil an einem Stück
bilden. Die Hilfsträgerbaugruppen
in 1-6 (erste bis vierte Hilfsträgerbaugruppe)
können
bei Bedarf andere Arten von Wärmesinken
(nicht dargestellt) einschließlich
herkömmlicher
thermoelektrischer Kühler enthalten.
In ähnlicher
Weise kann die Hilfsträgerbaugruppe
in 7 und 8, die die Erfindung ausführt, auf
Wunsch mit einem thermoelektrischen Kühler nach 1-6 integriert
werden.
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Die
in 1-6 dargestellten ersten bis vierten
Hilfsträgerbaugruppen 10 und
die in 7-8 dargestellte Hilfsträgerbaugruppe,
die die Erfindung ausführt,
enthalten eine einzige Wärmesinke 16 bzw.
genauer gesagt eine einzige Peltierwärmepumpe. Man kann die Hilfsträgerbaugruppe jedoch
in Segmente unterteilen, so dass sie demgemäß mehrere Wärmesinken aufweist, wobei jeweils eine
Wärmesinke
zu jedem Hilfsträgersegment
gehört.
Der Hilfsträger 18 einer
fünften
Baugruppe, siehe 9, kann in zahlreiche Segmente
unterteilt werden, die durch relativ dünne Luftspalte 19 getrennt
sind. Im Einzelnen kann der Hilfsträger ein erstes Segment 18' enthalten,
das die Laserdiode 12 trägt, ein zweites Segment 18'', das den Mikroresonatorhohlraum 22 trägt, und
ein drittes Segment 18''', das die Komponenten trägt, die
dem Mikroresonatorhohlraum nachgeschaltet sind, und zwar einschließlich des
Frequenzverdopplungskristalls 26. Dementsprechend kann
die fünfte
Hilfsträgerbaugruppe
drei Wärmepumpen
oder besonders bevorzugt drei Peltierwärmepumpen enthalten, von denen
jeweils eine zu jedem Segment des Hilfsträgers gehört.
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Die
fünfte
Hilfsträgerbaugruppe 10,
siehe 9, kann auch mehrere Temperatursensoren 46 enthalten,
wobei jeweils ein Temperatursensor einem Segment des Hilfsträgers 18 zugeordnet
ist und die Temperatur des jeweiligen Segments überwacht. Ein Controller, nicht
dargestellt, kann Signale von den Temperatursensoren empfangen,
die die Temperatur eines jeden Segments des Hilfsträgers darstellen. Der
Controller kann daraufhin geeignete Spannungen an die Zuleitungen
der Peltierwärmepumpen
anlegen, damit die Temperatur eines jeden Segments des Hilfsträgers für sich geregelt
wird.
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Da
die Laserdiode 12 generell mehr Wärme erzeugt als die anderen
Komponenten, kann die Wärmepumpe 16', die zum ersten
Hilfsträgersegment 18' gehört, auf
dem die Laserdiode montiert ist, das erste Hilfsträgersegment
stärker
kühlen
als das zweite und dritte Hilfsträgersegment. Damit die Wellenlänge des Signals,
das die Laserdiode aussendet, im Mittenbereich des Pumpbands des
aktiven Verstärkungsmediums 14 gehalten
wird, wird das erste Hilfsträgersegment
bevorzugt so gekühlt,
dass die Temperatur der Laserdiode relativ konstant bleibt, da sich
die Wellenlänge
der Signale, die der Laser abgibt, verändert, falls die Temperatur
der Laserdiode schwankt. Zusätzlich
können
die zu den zweiten und dritten Hilfsträgersegmenten gehörenden Wärmepumpen die
jeweiligen Hilfsträgersegmente
so kühlen
oder erwärmen,
dass der Mikroresonatorhohlraum 22 und die anderen Komponenten,
beispielsweise der Frequenzverdopplungskristall 26, auf
einer Temperatur gehalten werden, der ihren Betriebswirkungsgrad verbessert.
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Ein
Verfahren zum Einbau des elektro-optischen Systems, das die Erfindung
nicht ausführt, wird
nun im Zusammenhang mit der Ausführungsform
der Hilfsträgerbaugruppe 10 beschrieben,
die in 7 und 8 dargestellt ist. Bei diesem
Verfahren wird die Hilfsträgerbaugruppe,
die den Hilfsträger 18 enthält, zunächst auf
einer Trägerfläche eines
Gehäuses 36 montiert,
z. B. eines TO-3- oder TO-8-Gehäuses.
Die Wärmesinke 16,
siehe 10A, beispielsweise eine Peltierwärmepumpe,
kann zuerst auf der Trägerfläche des
Gehäuses
befestigt werden. Anschließend
kann man den Hilfsträger
auf der Wärmesinke
anbringen. Obwohl die Laserdiode 12 und die Metallisierungsschichten 32, 34 generell
auf dem Hilfsträger
montiert werden, bevor dieser auf die Wärmesinke aufgesetzt wird, sind
eine oder mehrere der elektro-optischen Komponenten einschließlich des
Mikroresonatorhohlraums 22 zum Zeitpunkt der Montage des
Hilfsträgers
auf der Wärmesinke
noch nicht auf diesem befestigt. Man kann die Hilfsträgerbaugruppe
auf unterschiedliche Weisen montieren. Die Wärmesinke wird jedoch üblicherweise
auf die Trägerfläche des
Gehäuses
geklebt, und die zweite Oberfläche 18b des
Hilfsträgers
wird normalerweise mit einem thermisch abgestimmten Epoxid auf die Wärmesinke
geklebt. Dabei handelt es sich um ein Epoxid, das mit Aluminiumoxid
oder Silber versetzt ist.
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Das
Gehäuse 36 enthält zahlreiche
leitende Stifte 38, die durch den Boden 60 des
Gehäuses
verlaufen und die Trägerfläche des
Gehäuses
umgeben. Nach der Montage der Wärmesinke 16 und
des Hilfsträgers 18 werden
elektrische Verbindungen zwischen den leitenden Stiften des Gehäuses und
entsprechenden Anschlüssen
der Hilfsträgerbaugruppe 10 hergestellt,
siehe 10B. Beispielsweise werden elektrische
Verbindungen zwischen den leitenden Stiften des Gehäuses und
der Anode, der Kathode und den jeweiligen Anschlüssen der thermoelektrischen
Kühler
hergestellt.
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Ist
die Hilfsträgerbaugruppe 10 auf
der Trägerfläche des
Gehäuses 36 montiert,
und sind geeignete elektrische Verbindungen hergestellt, so können die
verbleibenden elektro-optischen Komponenten einschließlich des
Mikroresonatorhohlraums 22 auf dem Hilfsträger 18 ausgerichtet
mit den Positioniermerkmalen 20, beispielsweise den Vertiefungen,
die die erste Oberfläche 18a auf
dem Hilfsträger
bestimmt, montiert werden. Man montiert beispielsweise den Mikroresonatorhohlraum
und das rechtwinklige Prisma 59 bevorzugt auf dem Hilfsträger, siehe
die Beschreibung im Zusammenhang mit 7 und 8.
Man kann die Komponenten auf unterschiedliche Weisen montieren.
Man befestigt die elektro-optischen Komponenten auf dem Hilfsträger jedoch
bevorzugt mit Hilfe einer Bestückungsmaschine,
die die Teile mit Unterdruck aufnimmt, damit der Herstellungsvorgang
wirksamer wird. Zum Einschließen
der Hilfsträgerbaugruppe,
siehe 10C, wird ein Deckel 62 am
Boden des Gehäuses 36 befestigt.
Der Deckel, siehe 2, enthält jedoch ein Fenster 64, damit
das elektro-optische System, das der Hilfsträger trägt, durch das Fenster Laserimpulse
abgeben kann, wenn man geeignete Spannungen an die leitenden Stifte 38 anlegt.
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Da
mindestens einige der Komponenten einschließlich des Mikroresonatorhohlraums 22 auf
dem Hilfsträger 18 montiert
werden, nachdem die Hilfsträgerbaugruppe 10 bereits
auf der Trägerfläche des Gehäuses 36 angeordnet
ist, bietet das beschriebene Verfahren zahlreiche Vorteile. Insbesondere
können
mit einem derartigen Fertigungsverfahren die Handhabungsvorgänge an den
verschiedenen Komponenten verringert werden, wodurch die Komponenten
in geringerem Umfang statischer Elektrizität und anderen schädlichen
Umständen
ausgesetzt werden. Zudem kann man mit dem beschriebenen Einbauverfahren
die Erwärmung
zahlreicher elektrooptischer Komponenten einschließlich des
Mikroresonatorhohlraums begrenzen, da die Erwärmung den Betrieb und/oder
die Lebensdauer der anderen elektro-optischen Komponenten beeinträchtigen könnte.
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Eine
Hilfsträgerbaugruppe 10,
die die Erfindung ausführt,
enthält
wie beschrieben einen Hilfsträger 18 für die präzise Ausrichtung
der verschiedenen Komponenten eines elektro-optischen Systems einschließlich einer
Laserdiode 12 und eines zugehörigen Mikroresonatorhohlraums 22.
Zusätzlich
leitet der Hilfsträger
nicht nur Wärme,
sondern er isoliert auch elektrisch, damit die verschiedenen darauf montierten
elektro-optischen Komponenten wirksam elektrisch isoliert sind.