FI115872B

FI115872B - Method and apparatus for temperature control of an optoelectronic semiconductor component

Info

Publication number: FI115872B
Application number: FI20030022A
Authority: FI
Inventors: Jussi Pekka Larjo
Original assignee: Oseir Oy
Priority date: 2003-01-07
Filing date: 2003-01-07
Publication date: 2005-07-29
Also published as: AU2003290131A1; WO2004061957A1; FI20030022A0; FI20030022A

Description

115872115872

MENETELMÄ JA LAITTEISTO OPTOELEKTRONISEN PUOLIJOHDEKOMPONENTIN LÄMPÖTILAN SÄÄTÄMISEKSIMETHOD AND APPARATUS FOR ADJUSTING THE TEMPERATURE OF THE OPTOELECTRONIC SEMICONDUCTOR COMPONENT

Keksinnön ala 5 Tämä keksintö koskee oheisen itsenäisen patenttivaatimuksen 1 johdanto-osassa esitettyä menetelmää optoelektronisten puolijohdekomponenttien lämpötilan säätämiseksi. Keksinnön kohteena on myös oheisen itsenäisen patenttivaatimuksen 7 johdanto-osan mukainen 10 laitteisto edellä mainitun menetelmän toteuttamiseksi.FIELD OF THE INVENTION This invention relates to a method for controlling the temperature of optoelectronic semiconductor components as set forth in the preamble of the attached independent claim 1. The invention also relates to apparatus 10 according to the preamble of appended independent claim 7 for carrying out the above-mentioned method.

Taustaabackground

Optoelektronisia puolijohdekomponentteja ja -laitteita, joihin kuuluvat 15 sekä valoa lähettävät että valoa havaitsevat komponentit, käytetään tällä hetkellä hyvin laajalti erilaisissa sovelluksissa. Yhden tärkeän optoelektronisten puolijohdekomponenttien ryhmän muodostavat puolijohdelaserit eli diodilaserit.Optoelectronic semiconductor components and devices, which include 15 light-transmitting and light-sensing components, are currently widely used in a variety of applications. One important group of optoelectronic semiconductor components are semiconductor lasers, or diode lasers.

20 Yleisesti ottaen laservalonlähteet ovat suorituskyvyltään ainutlaatuisia, mikä johtuu niiden lähettämän valon ominaisuuksista. Yksi näistä .·. ; ominaisuuksista on emissiospektri, joka useimmissa tapauksissa • «· s/. rajoittuu hyvin kapealla aallonpituuskaistalle, jonka keskiaallonpituus ja kaistanleveys ovat hyvin määritellyt ja tietylle laserrakenteelle 25 ominaiset. Tämä piirre on oleellinen monissa lasersovelluksissa.20 Generally speaking, laser light sources have a unique performance due to the characteristics of the light they emit. One of these. ; properties have an emission spectrum which in most cases • «· s /. is limited to a very narrow wavelength band having a well-defined mean wavelength and a bandwidth characteristic of a particular laser structure. This feature is essential in many laser applications.

:···: Joissakin tapauksissa, erityisesti spektroskooppisissa sovelluksissa, on : V myös välttämätöntä tai ainakin hyvin hyödyllistä, että lasersäteilyn aallonpituutta voidaan helposti säätää jatkuvalla aallonpituusalueella. Viritettävä laser on laserlaite, joka on suunniteltu siten, että sen ; · 30 säteilyn pääaallonpituutta voidaan säätää käytön aikana.: ···: In some cases, especially in spectroscopic applications, it is also necessary, or at least very useful, that the wavelength of laser radiation can be easily adjusted within a continuous wavelength range. Tunable laser is a laser device designed to be used in a laser; · 30 main wavelengths of radiation can be adjusted during operation.

\ Laserlaitteen ominaiset säteilyaallonpituudet riippuvat (i) vahvistukses- ta aktiivisessa laserväliaineessa, jossa tapahtuu valon vahvistus ‘ stimuloidulla emissiolla, ja (ii) mainittua aktiivista laserväliainetta ympä- ·:·*: 35 röivän resonanssikaviteetin optisista ominaisuuksista. Viritettävässä laserissa jompikumpi tai kumpikin näistä ominaisuuksista voi muuttua 115872 2 ajan mittaan. Useimmissa tavanomaisissa viritettävissä taserakenteissa aktiivisella väliaineella on oleellisesti pysyvät vahvistinominaisuudet ja resonanssikaviteetti sisältää viritettävän, aallonpituudelle herkän komponentin, kuten hilan, prisman tai ontelon.The specific radiation wavelengths of the laser device depend on (i) the gain in the active laser medium where light is amplified by 'stimulated emission, and (ii) the optical properties of the resonant cavity of said active laser medium. In a tunable laser, either or both of these features may change over time, 115872 2. In most conventional tunable balance structures, the active medium has substantially constant amplifier properties, and the resonance cavity includes an tunable, wavelength-sensitive component such as a lattice, prism or cavity.

55

Viritettäviä lasereita käytetään laajimmin spektroskooppisissa sovelluksissa ja tietoliikennesovelluksissa. Näillä aloilla on tehty hyvin paljon tutkimusta ja kehitystyötä koko sinä ajanjaksona, jolloin käyttökelpoisia laserinstrumentteja on ollut saatavilla. Viime 10 vuosikymmenen aikana viritettävien laserien kehitys on ollut aktiivisinta viritettävien diodilaserlaitteiden alalla. Pienet, hinnaltaan edulliset ja vankat diodilaserit korvaavat vähitellen tavanomaisempia ratkaisuja, kuten väri- tai titaanisafiirilasereita. Tällä hetkellä käytettävissä olevat diodilaserien aallonpituuden viritysalueet ovat jonkin verran 15 rajoitetumpia kuin em. tavanomaisemmilla laitteilla, mikä on merkittävä tekijä, joka rajoittaa niiden käyttöä useissa spektroskooppisissa sovelluksissa. Aallonpituuden viritysaluetta voidaan laajentaa jonkin verran käyttämällä alalla sinänsä tunnettuja epälineaarisia optisia muunnostekniikoita, kuten taajuuden kahdentamista tai sekoittamista, 20 erityisesti tavanomaisempien laserlaitteiden yhteydessä. Päinvastoin kuin nykyaikaiset kiinteän olomuodon laserit, diodilaserit eivät . . kuitenkaan pysty lähettämään hyvin lyhyitä ja tehokkaita pulsseja, jotka perustuvat sellaisiin tekniikoihin kuin Q-kytkentä tai moodilukitus, jotka :·’*ί ovat vakiintuneita muiden lasertyyppien yhteydessä. Tästä syystä 25 epälineaarisen aallonpituusmuunnoksen hyötysuhde pysyy hyvin pienenä, kun sitä sovelletaan jatkuva-aaltoiseen diodilasersäteilyyn, joka hyötysuhde on luokkaa 10'6 tai vähemmän, joten yleensä vaaditaan jatkuva säteilyteho, joka on satojen milliwattien luokkaa, jotta epälineaarista optista muunnosta voitaisiin käyttää tehokkaasti .:. 30 diodilaserien yhteydessä.Tunable lasers are the most widely used in spectroscopic and telecommunication applications. There has been a great deal of research and development in these fields throughout the period in which usable laser instruments have been available. In the last 10 decades, the development of tunable lasers has been most active in the field of tunable diode laser devices. Small, low cost and robust diode lasers are gradually replacing more conventional solutions such as color or titanium sapphire lasers. The wavelength excitation ranges currently available for diode lasers are somewhat more limited than those of the above conventional devices, which is a significant factor limiting their use in many spectroscopic applications. The wavelength excitation range may be slightly expanded using non-linear optical conversion techniques known per se in the art, such as frequency doubling or mixing, especially with more conventional laser devices. Unlike modern solid state lasers, diode lasers do not. . however, is unable to transmit very short and effective pulses based on techniques such as Q-switching or mode locking that: · '* ί are well established with other laser types. As a result, the efficiency of the 25 non-linear wavelength transforms remains very low when applied to continuous-wave diode laser radiation of the order of 10'6 or less, so a continuous radiation power of the order of hundreds of milliwatts is generally required for nonlinear optical conversion. 30 with diode lasers.

MMMM

’ ’ * Viritettävät diodilaserit'' * Tunable diode lasers

Puolijohdediodilaserit ovat yksi harvoista käytettävissä olevista laser- :··· 35 laitteista, joissa voidaan virittää itse aktiivisen väliaineen spektristä : vahvistusta. Tyypillisessä reunasta säteilevässä diodilaserrakenteessa aktiivinen väliaine koostuu hyvin ohuesta (100-150 nm) puolijohderaja- 115872 3 pinnasta, joka on valmistettu yhdisteainepuolijohdesirun pinnalle. Rajapinnan pinta-ala on tyypillisesti pienempi kuin 500 χ 1500 mikronia.Semiconductor diode lasers are one of the few laser devices available: ··· 35 capable of tuning the spectrum of the active medium itself: gain. In a typical edge emitting diode laser structure, the active medium consists of a very thin (100-150 nm) semiconductor boundary surface prepared on the surface of a compound semiconductor chip. The interface area is typically less than 500 χ 1500 microns.

Diodilaserin primäärinen säteilyspektri määräytyy elektronien 5 energiavyön jakauman mukaan tässä rajapinnassa. On tunnettua, että tämä energiavyön jakauma riippuu tämän laserväliaineen tietyistä olosuhteista. Näistä tärkeimmät ovat lämpötila, injektiovirran tiheys ja mainitussa väliaineessa vallitseva mekaaninen jännitys. Kirjallisuudessa on esitetty viritystekniikoita, jotka perustuvat näiden olosuhtei-10 den muuttamiseen. Näistä lämpötilan virittäminen on kokeellisissa järjestelmissä ehkä laajimmalle levinnyt. Tyypillinen arvo aallonpituuden säädettävyydelle lämpötilan avulla on 0,5 nm/K. Valmistaja ilmoittaa diodilaserin nimellisominaisuudet, joita ovat mm. säteilyn aallonpituus ja kestoikä, yleensä +25°C lämpötilassa. Diodilaserin 15 lämpötilarajat määräytyvät käytännössä yleensä korkeassa päässä laserin kestoiän mukaan ja matalassa päässä jäähdytysjärjestelmän ominaisuuksien mukaan. On ilmeistä, että lämpötilavirittämisellä voidaan suhteellisen helposti saavuttaa 5-10 nm aallonpituusalueita. US-patentissa 3 588 253 on esitetty varhainen lämpötilaviritettävä 20 diodilaserspektrometri.The primary radiation spectrum of a diode laser is determined by the energy belt distribution of the electrons 5 at this interface. It is known that this distribution of energy belt depends on the particular conditions of this laser medium. The most important of these are temperature, density of injection stream, and mechanical stress in said medium. Tuning techniques based on changing these conditions have been described in the literature. Of these, temperature tuning is perhaps the most widespread in experimental systems. A typical value for wavelength adjustability by temperature is 0.5 nm / K. The manufacturer declares the nominal characteristics of the diode laser. wavelength and lifetime of the radiation, usually at + 25 ° C. In practice, the temperature limits of the diode laser 15 are generally determined at the high end by the life of the laser and at the low end by the characteristics of the cooling system. It is obvious that temperature tuning can achieve wavelength ranges of 5 to 10 nm relatively easily. U.S. Patent 3,588,253 discloses an early temperature tunable 20 diode laser spectrometer.

. Kaupallisesti saatavilla olevissa viritettävissä diodilaserlaitteissa ; ; käytetään yleensä tavanomaisempaa, esimerkiksi hilaan tai prismaan *:,7 perustuvaa resonaattoriviritystä sen sijaan, että käytettäisiin edellä 25 lyhyesti kuvattua aktiiviväliaineviritystä. Tämä johtuu siitä, että diodi-laserin aktiivisen väliaineen vahvistus on melko leveä, tyypillisesti j useita nanometrejä. Monissa sovelluksissa, esimerkiksi hyvän erottelu- kyvyn spektroskopiassa, vaaditaan paljon kapeampaa viivanleveyttä, ja tämä vaatimus voidaan täyttää vain huolellisella resonaattorin suunnit-30 telulla. ECDL-laser (external cavity diode laser), jossa kaviteetin yksi osa (heijastin) on viritettävä hila, on tällä hetkellä suosittu kaupallisten viritettävien diodilaserien rakenneratkaisu. Tällaisia järjestelmiä tarjoa-··’.:* vat useat valmistajat, kuten Laser 2000 (Yhdistyneet Kuningaskunnat) ja Sacher Lasertechnik (Saksa). Yksi esimerkki tekniikan tason mukai-·:··.; 35 sista ECDL-laitteista on esitetty US-patentissa 5 319 668. ECDL- : lasereilla saatava viritysalue riippuu aktiivisen väliaineen ominai suuksista; kun lämpötila ja sähkövirta ovat vakioita, tyypilliset aallon- 115872 4 pituusvälit ovat 5-15 nm. Toisaalta diodilaserit, joita käytetään tietoliikennesovelluksissa, joissa sovelletaan aallonpituuden mukaan jaettua moninkertaistusta (wavelength division multiplexing, WDM), ovat yleensä lämpötilaviritettäviä lasereita, joissa on levitetty takaisin-5 kytkentä (distributed feedback, DFB).. In commercially available tunable diode laser devices; ; more conventional resonator tuning, for example, based on a lattice or prism *: 7, is generally used instead of the 25 active medium tuning described briefly above. This is because the gain of the active medium of the diode laser is quite wide, typically j several nanometers. In many applications, such as good resolution spectroscopy, much narrower line widths are required, and this requirement can only be met by careful resonator design. The ECDL (external cavity diode laser) laser, where one part of the cavity (reflector) is a tunable lattice, is currently a popular design solution for commercial tunable diode lasers. Such systems are offered by several manufacturers, including Laser 2000 (United Kingdom) and Sacher Lasertechnik (Germany). One example of the prior art: ·: ·; 35 of these ECDLs are disclosed in U.S. Patent 5,319,668. The excitation range obtained with ECDL lasers depends on the characteristics of the active medium; when the temperature and electric current are constant, typical wavelength ranges are 5-15 nm. On the other hand, diode lasers used in telecommunications applications employing wavelength division multiplexing (WDM) are generally temperature tunable lasers with distributed feedback (DFB).

Lämpötilaviritys on käyttökelpoinen jopa ECDL-lasereilla niiden kokonaisviritysalueen laajentamisessa, mutta suuren viritysalueen omaavan lämpötilansäätöjärjestelmän toteuttaminen on usein väistä-10 mättä epäkäytännöllistä. Suuren tarkkuuden omaavat diodilaserlaitteet on aina varustettu lämpötilasäätöjärjestelmällä, jotta toiminta olisi stabiilia. Nämä järjestelmät on kuitenkin tyypillisesti suunniteltu laserin lämpötilan pitämiseksi tietyssä pisteessä, jotta järjestelmä pysyisi yksinkertaisena. Muita käytännön syitä lämpötilavirityksen välttämiseen 15 ovat: (i) lämpötilan merkittävä nousu saattaa vähentää komponentin elinikää, häiritä laitteen muita komponentteja ja kuluttaa enemmän tehoa, (ii) lämpötilan merkittävä lasku edellyttää suhteellisen tehokasta jäähdytysmekanismia, mikä johtuu lämpöhäviöstä aktiivisessa väliaineessa. Matalissa lämpötiloissa jäähdytyksestä voi myös seurata 20 muita sivuvaikutuksia, kuten kosteuden tiivistymistä ja jäätymistä.Temperature tuning is useful even with ECDL lasers in extending their total tuning range, but implementing a temperature control system with a large tuning range is often inevitable. High precision diode laser devices are always equipped with a temperature control system for stable operation. However, these systems are typically designed to maintain the laser temperature at a particular point to keep the system simple. Other practical reasons for avoiding temperature tuning include: (i) a significant increase in temperature may reduce component life, interfere with other components of the device and consume more power; (ii) a significant decrease in temperature requires a relatively effective cooling mechanism due to heat loss in the active medium. At low temperatures, cooling can also result in 20 other side effects such as condensation and freezing.

. . Vielä yksi aallonpituuden viritysmahdollisuus on käyttää virran säätöä, ” missä käytetään hyväksi sitä, että diodilaserin säteilyn aallonpituus riippuu jonkin verran laserin syöttövirrasta. Tämä ei ole laajalti 25 käytössä, koska laserin aallonpituutta ja optista säteilytehoa ei voida säätää riippumattomasti. Käytännössä tämän piirteen olemassaolo on j‘V yleensä haitallinen ja vaatii sen, että suuren tarkkuuden omaavilla :' ‘ *: instrumenteilla on tarkasti virtastabiloitu tehonsyöttö.. . Another option for wavelength tuning is to use current control, "which takes advantage of the fact that the radiation wavelength of a diode laser is somewhat dependent on the laser input current. This is not widely used because the laser wavelength and optical radiation power cannot be independently controlled. In practice, the existence of this feature is generally detrimental and requires that high-precision: '' *: instruments have accurately current-stabilized power supplies.

30 Diodilaserien lämpötilan säätö * * *30 Diode Laser Temperature Control * * *

Kaikissa diodilaserrakenteissa on otettava huomioon ylimääräisen lämmön poisto. Kun sähkövirran ja lähtevän valon välinen muunnoshyötysuhde voi nykyaikaisilla kvanttikaivodiodilasereilla olla 35 jopa 50%, niin kaikki jäljelläoleva sähköteho hukataan pois lämpönä : laserin aktiivisessa väliaineessa. Aktiivisen väliaineen pienen koon * 1 * 115872 5 takia hyvin pienetkin tehotasot nostavat huomattavasti kiinnittämättö-män lasersirun lämpötilaa. Koska liian korkea lämpötila vähentää laitteen elinikää, käytännössä kaikki diodilasersirut on asennettu umpi-metalliseen jäähdytyselimeen, joka on tyypillisesti huomattavasti 5 suurempi kuin itse laserin aktiivinen väliaine. Jäähdytyselin toimii tyypillisesti myös yhtenä diodilaseriin virtaa johtavana elektrodina.All diode laser structures must take into account excess heat removal. While the conversion efficiency between electric current and outgoing light can be 35 to 50% on modern quantum well diode lasers, all remaining electrical power is lost as heat: in the active medium of the laser. Due to the small size of the active medium, * 1 * 115872 5, even very low power levels significantly increase the temperature of the unmounted laser chip. Because excessively high temperatures reduce the life of the device, virtually all diode laser chips are mounted on a solid-metal cooling element, typically substantially larger than the active medium of the laser itself. The cooling element typically also functions as a single electrode conducting to the diode laser.

Seuraavaksi on otettava huomioon lämmönsiirto jäähdytyselimestä ympäristöön. Yksinkertainen jäähdytys johtumalla tai lämmön luonnol-10 lisen konvektion kautta riittää vain matalilla tehotasoilla, jotka ovat enintään muutamien milliwattien luokkaa. Koska jatkuva sähkötehon kulutus voi nykyisillä suurtehodiodilasereilla olla jopa useita watteja säteilijää kohti, lämmönsiirtoa on usein parannettava aktiivisella jäähdytyksellä. Tavanomainen ratkaisu on konvektio paineistetun 15 kaasumaisen tai nestemäisen jäähdytysaineen avulla, jolloin jäähdytys-elin on varustettava vastaavasti jäähdytysrivoilla ja/tai virtauskanavilla. Lisäksi laitteessa on oltava sisäinen tai ulkoinen jäähdytysaineen kiertojärjestelmä, kuten puhallin tai pumppu. Kiertojärjestelmää voidaan parantaa käyttäjän ohjaamalla tai automatisoidulla takaisinkytkentä-20 mekanismilla, joka säätää jäähdytystehon laserin tehotason tai ympäristöolosuhteiden mukaan, yleensä muuttamalla jäähdytysaineen . . virtausnopeutta. Valinta kaasumaisen tai nestemäisen jäähdytysaineen välillä riippuu sovelluksesta; jäähdytysnesteet ovat suuremman ominaislämpökapasiteettinsa ansiosta hyvin tehokkaita, mutta 25 useimmissa tapauksissa ne vaativat suljetun kiertovirtausjärjestelmän ja erilliset lämmönsiirtimet, kun taas ilmaa tai muuta myrkytöntä kaasu-maista jäähdytysainetta voidaan usein yksinkertaisesti päästää ympäristöön sen jälkeen, kun se on kulkenut jäähdytyselimen läpi.Next, the heat transfer from the cooling element to the environment must be considered. Simple cooling by conduction or natural convection of heat is only sufficient at low power levels up to a few milliwatts. Because the continuous power consumption of current high-diode lasers can be up to several watts per radiator, heat transfer often needs to be improved by active cooling. Conventional solution is convection by means of pressurized gaseous or liquid coolant 15, whereby the cooling member must be provided with cooling fins and / or flow channels, respectively. In addition, the device must have an internal or external refrigerant circulation system, such as a fan or pump. The circulation system can be enhanced by a user-controlled or automated feedback mechanism that adjusts the cooling power to the laser power level or environmental conditions, usually by changing the coolant. . the flow rate. The choice between gaseous or liquid refrigerant depends on the application; coolants are very efficient due to their higher specific heat capacity, but in most cases require a closed circulation system and separate heat exchangers, whereas air or other non-toxic gaseous refrigerant can often simply be released into the environment after passing through the coolant.

30 Toinen tunnettu tapa alentaa diodilaserin toimintalämpötilaa on käyttää lämpösähköistä jäähdytintä. Tämä tunnettu laite perustuu Peltierin *" ilmiöön, jossa sähkövirran johtaminen tietyn kahden metallin rajapinnan yli siirtää lämpöä rajapinnan yli aiheuttaen lämpötilaeron. Näitä laitteita käytetään laajasti sähköisten komponenttien jäähdytykseen; tyypilli-35 sesti ne ovat tasomaisia komponentteja, joilla on kuumentunut ja : jäähtynyt puoli. Niistä ei kuitenkaan ole apua lämmön johtamiseksi ympäristöön, joten rajapinnan kuumentuneella puolella on aina käytet- 115872 6 tävä aktiivista jäähdytystä jatkuvan toiminnan varmistamiseksi. Lyhyesti sanottuna nämä laitteet alentavat komponentin toimintalämpötilaa vain ympäristön suhteen, mutta eivät lisää laitteen kokonaisjäähdytystehoa, kuten selviää jäljempänä tästä tekstistä. Toinen käyttökelpoinen 5 Peltierin ilmiön ominaisuus on se, että kun kahden metallin rajapintaan johdetaan käänteinen virta, se toimii kuumentimena. Tällä tavoin voidaan pienitehoiselle säteilijälle rakentaa yksinkertainen lämpötilan-säätölaite, jollainen on esitetty US-patenttijulkaisussa 2002/121 094.Another known way of lowering the operating temperature of a diode laser is to use a thermoelectric cooler. This known device is based on the Peltier * "phenomenon, where conducting an electric current across a given two metal interface transfers heat across the interface, causing a temperature difference. These devices are widely used to cool electronic components; typically, they are planar components with a heated and a cooled side. however, it is not helpful to transfer heat to the environment, so active cooling must always be used on the heated side of the interface to ensure continuous operation, in short, these devices only lower the operating temperature of the component relative to the environment but do not increase the overall cooling capacity of the device. 5 The feature of the Peltier phenomenon is that when a reverse current is applied to the interface of two metals, it acts as a heater. aa a simple temperature control device as disclosed in U.S. Patent Publication No. 2002/121,094.

10 Kaupallisissa lämpösähköisissä jäähdytyslaitteissa on kaksi pää-määritettä, jotka ovat maksimilämpötilaero rajapinnassa (tyypillisesti 70 K) ja maksimilämmönsiirtonopeus (tyypillisesti alle 10 W/cm2) nimellisellä rajapinnan virralla. Mainitun vaihteluvälin sisällä jäähdytys-nopeutta voidaan virittää tarkasti rajapinnan virran avulla. Lämmön-15 siirtonopeus on likimäärin suhteessa jäähdytyslaitteen kokoon, joten suuritehoiset jäähdyttimet ovat suuria verrattuna tyypillisen diodilaser-sirun kokoon. Parametrejä on tulkittava huolellisesti arvioitaessa jäähdyttimen suorituskykyä tietyssä järjestelyssä. Maksimilämpötilaero saavutetaan, kun lämmönsiirto jäähtyneeltä pinnalta kuumentuneelle 20 pinnalle Peltierin ilmiön vaikutuksesta on sama kuin lämmönsiirto jäähdytinlaitteen sisällä vastakkaiseen suuntaan johtumalla. Tässä . , tilassa ei tapahdu lainkaan nettolämmönsiirtoa, joten laitteen jäähdytys- teho on nolla. Kun laitteen läpi siirtyy nettolämpöä, todellinen lämpötila-ero on pienempi. Määritellyllä maksimilämmönsiirtonopeudella ero 25 putoaa nollaan. Näin ollen lämpötilaeron ylläpitämiseksi lämpö- sähköisen jäähdyttimen avulla jäähdyttimen määritellyn tehon on oltava fv suurempi kuin todellinen lämmönsiirtonopeus. Tästä syystä saatavilla f": olevat lämpösähköiset jäähdyttimet eivät yleensä sovellu pieni kokoisten mutta suuritehoisten komponenttien tarkkaan lämpötila-30 säätöön, vaikka määritelty jäähdytysteho olisikin sama tai jonkin verran suurempi kuin komponentin lämpöhäviöt.10 Commercial thermoelectric refrigeration units have two main attributes, which are the maximum temperature difference at the interface (typically 70 K) and the maximum heat transfer rate (typically less than 10 W / cm2) at the rated interface current. Within said range, the cooling rate can be precisely tuned by the interface current. The heat-15 transfer rate is approximately proportional to the size of the cooling device, so high power coolers are large compared to the size of a typical diode laser chip. Parameters must be carefully interpreted to evaluate the performance of the radiator in a given configuration. The maximum temperature difference is achieved when the heat transfer from the cooled surface to the heated surface by the Peltier effect is the same as the heat transfer inside the cooler by reversing. Here. , there is no net heat transfer in the room, so the cooling capacity of the unit is zero. As the net heat passes through the unit, the actual temperature difference is smaller. At the specified maximum heat transfer rate the difference 25 drops to zero. Therefore, in order to maintain the temperature difference by means of a thermoelectric cooler, the specified power of the cooler must be fv higher than the actual heat transfer rate. For this reason, the available f ": electric radiators are generally not suitable for accurate temperature control of small but high power components, even if the specified cooling power is the same or somewhat greater than the component heat loss.

» « -i’ Jotta saavutettaisiin jopa alhaisempia lämpötiloja aktiivisen «· · jäähdytyksen avulla, voidaan käyttää alhaisen lämpötilan omaavaa 35 jäähdytysainetta. Tähän tarkoitukseen käytetään usein paineistettua nestemäistä kaasua, esimerkiksi typpeä tai heliumia. Nämä ratkaisut kasvattavat laitteen kustannuksia, monimutkaisuutta ja kokoa sekä 115872 7 heikentävät turvallisuutta ja luotettavuutta. Tällä tavoin voidaan saavuttaa äärimmäisen matalia lämpötiloja hyvällä lämmönsiirto-nopeudella, mutta on kuitenkin vaikeampaa rakentaa säätöjärjestelmä, jolla on suuri lämpötila-alue. Nestemäiseen kaasuun perustuvaa 5 jäähdytystä käytetään diodilaserjärjestelmissä harvoin, lukuunottamatta kaukoinfrapunavaloa lähettäviä lyijysuoladiodilasereita, joiden on toimittava hyvin matalissa lämpötiloissa (katso esimerkiksi US-patentti 4 684 805).»« -I 'In order to achieve even lower temperatures with active «· · cooling, low temperature 35 refrigerants can be used. For this purpose, a pressurized liquid gas, such as nitrogen or helium, is often used. These solutions increase the cost, complexity, and size of the device, and compromise security and reliability. In this way, extremely low temperatures can be achieved at a good heat transfer rate, but it is more difficult to construct a control system with a large temperature range. Liquid gas based 5 cooling is rarely used in diode laser systems, with the exception of far-infrared emitting lead salt diode lasers, which have to operate at very low temperatures (see, for example, U.S. Patent 4,684,805).

10 Useimmissa nykyisissä teholtaan pienissä ja keskisuurissa diodilaserjärjestelmissä, joissa käytetään aktiivista jäähdytystä, on puhallintoimi-nen ilmajäähdytys ja mahdollisesti lämpösähköiseen jäähdyttimeen perustuva säätöjärjestelmä lämpötilan stabiloimiseksi kontrolloimattomissa ympäristöolosuhteissa. Suuremmilla tehotasoilla vallitsevana on 15 aktiivisen vesijäähdytyksen käyttö. Lämpötilaviritteisen diodilaser- laitteen suunnittelemiseksi kontrolloimattomaan ympäristöön on järjestettävä tarkempi laajan vaihteluvälin omaava lämpötilasäätö-järjestelmä, jossa on lämmitys- ja jäähdytvstoiminto. Jotta tätä järjestelmää voitaisiin käyttää muuttumattomissa olosuhteissa, sen on 20 myös poistettava diodilaseriin muodostunut liikalämpö.Most current low power and medium diode laser systems using active cooling have a fan-driven air cooling and possibly a thermoelectric cooler control system to stabilize the temperature in uncontrolled environmental conditions. At higher power levels, the use of 15 active water coolers prevails. In order to design a temperature-tuned diode laser device in an uncontrolled environment, a more accurate wide-range temperature control system with a heating and cooling function must be provided. In order to operate under constant conditions, this system must also remove excess heat generated by the diode laser.

. , Johtopäätöksenä voidaan todeta, että keski- ja suuritehoiset diodilaser- 2 '5 laitteet vaativat aktiivista jäähdytystä, jotta niiden toiminta olisi stabiilia.. In conclusion, medium and high power diode laser devices require active cooling in order to be stable.

Pakotetun ilmajäähdytyksen tai vesijäähdytyksen käyttö on yleisintä, 25 mutta näillä tekniikoilla ei pystytä alentamaan laserin aktiivisen väli-:,.7 aineen lämpötilaa jäähdytysainevirtauksen lämpötilan alapuolelle. Tätä i tarkoitusta varten voidaan käyttää lämpösähköisiä jäähdyttimiä, mutta :" *: niiden kyky rajoittuu pienitehoisiin laitteisiin.The use of forced air cooling or water cooling is most common, but these techniques cannot reduce the temperature of the laser active spacer 7 below the coolant flow temperature. Thermoelectric coolers may be used for this purpose, but: "*: Their capacity is limited to low power equipment.

30 Keksinnön yhteenveto30 Summary of the Invention

t It I

Nyt esillä olevan keksinnön päätarkoituksena on esittää uusi mene-telmä optoelektronisten puolijohdekomponenttien lämpötilan säätelyyn, jossa menetelmässä ei ole edellä mainittuja, tekniikan tason mukaisille 35 ratkaisuille tyypillisiä rajoituksia. Tämän tarkoituksen saavuttamiseksi 1 1 5872 8 keksinnön mukaiselle menetelmälle on pääasiassa tunnusomaista se, mitä on esitetty itsenäisen patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.The main object of the present invention is to provide a novel method for controlling the temperature of optoelectronic semiconductor components, which method does not have the above-mentioned limitations typical of prior art solutions. To accomplish this purpose, the method according to the invention is essentially characterized in what is set forth in the characterizing part of independent claim 1.

Keksinnön tarkoituksena on myös saada aikaan edellämainittua mene-5 telmää soveltava laitteisto. Keksinnön mukaiselle laitteistolle puolestaan on pääasiassa tunnusomaista se, mitä on esitetty itsenäisen patenttivaatimuksen 7 tunnusmerkkiosassa.It is also an object of the invention to provide apparatus applying the aforementioned method. The apparatus according to the invention, in turn, is mainly characterized by what is disclosed in the characterizing part of independent claim 7.

Epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa on lisäksi esitetty keksinnön 10 edullisia suoritusmuotoja.The dependent claims further provide preferred embodiments of the invention.

Nyt esillä olevan keksinnön perusajatuksena on käyttää kaasuvirtauk-sen muodostamiseen vortex-putkea, jota kaasuvirtausta käytetään lisäksi optoelektronisen puolijohdekomponentin aktiiviseen jäähdyttämi-15 seen tai kuumentamiseen. Hakijan käsityksen mukaan vortex-putkia ei ole aiemmin sovellettu tähän tarkoitukseen, missä ne voivat tarjota hyvin merkittäviä etuja useimpiin tekniikan tason mukaisiin ratkaisuihin nähden.The basic idea of the present invention is to use a vortex tube for generating a gas stream, which gas is further used to actively cool or heat the optoelectronic semiconductor component. According to the Applicant, vortex tubes have not previously been used for this purpose, where they can provide very significant advantages over most prior art solutions.

20 Tarkemmin sanoen nyt esillä oleva keksintö tarjoaa uusia välineitä diodilaserin aallonpituuden virittämiseen säätämällä laseroivan aktiivi- . , sen väliaineen lämpötilaa kaasumaisen jäähdytysaineen avulla sillä : erityisellä tavalla, että mainitun kaasumaisen jäähdytysaineen lämpö- • * · '·”· tilaa säädetään vortex-putken avulla.More specifically, the present invention provides new means for tuning the wavelength of a diode laser by adjusting the laser active. , the temperature of its medium by means of a gaseous coolant, in that: in particular, the temperature of said gaseous coolant is controlled by a vortex tube.

25 •»·25 • »·

Laserdiodin aallonpituuden virittämisen lisäksi keksintö tarjoaa välineitä I V ylimääräisen hukkalämmön poistamiseksi laserlaitteesta tai muusta :2’: optoelektronisesta puolijohdekomponentista ja mahdollistaa tällaisten laitteiden käyttämisen ja virittämisen ympäristöissä, missä ympäristön 30 lämpötilaa ja muita asiaan liittyviä olosuhteita ei säädellä.In addition to tuning the laser diode wavelength, the invention provides means for removing excess wasted heat from a laser device or other: 2 ': optoelectronic semiconductor component, and enables such devices to be used and tuned in environments where ambient temperature and other related conditions are not controlled.

Mtt I iMtt I i

Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaan esitetään suljetun silmukan takaisinkytkentäsäätöjärjestelmä jäähdytyskaasun lämpötilan ja virtausnopeuden säätämiseksi diodilaserin säteilijän lämpötilan tai 35 lähetetyn lasersäteilyn optisten ominaisuuksien funktiona.According to a preferred embodiment of the invention, a closed-loop feedback control system is provided for controlling the temperature and flow rate of the cooling gas as a function of the diode laser radiator temperature or the optical properties of the transmitted laser radiation.

t * 115872 9t * 115872 9

Keksinnön edulliset suoritusmuodot ja niiden edut käyvät alan asiantuntijalle paremmin selville jäljempänä seuraavista selityksestä ja esimerkeistä sekä oheisista patenttivaatimuksista.Preferred embodiments of the invention and their advantages will become more apparent to those skilled in the art from the following description and examples, and from the appended claims.

5 Piirustusten kuvaus5 Description of the drawings

Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin viitaten samalla oheisiin piirustuksiin, joissa 10 kuva 1a esittää kaaviomaisena poikkileikkauksena diodisäteilijän, joka on asennettu yksittäiseen, primääriseen kaasu-konvektiojäähdytteiseen avoimeen lämpöä johtavaan jäähdytyselimeen, 15 kuva 1b esittää kaaviomaisena poikkileikkauksena diodisäteilijän, joka on asennettu primääriseen jäähdytyselimeen, joka on edelleen liitetty lämpösähköisen jäähdyttimen avulla sekundääriseen kaasukonvektiojäähdytteiseen, avoimeen, lämpöä johtavaan jäähdytyselimeen, 20 kuva 1c esittää kaaviomaisena poikkileikkaussivukuvantona diodi- , , säteilijän, joka on asennettu yksittäiseen primääriseen VI kaasukonvektiojäähdytteiseen, suljettuun, lämpöä johta- • · t : vaan jäähdytyselimeen, C: 25 kuva 2a esittää kaaviomaisena poikkileikkauksena kaksoisjuotetun, ;’V päätylohkoon asennetun reunasta säteilevän lasersirun : ‘' |: asennusta primääriseen jäähdytyselimeen, ... 30 kuva 2b esittää kaaviomaisena poikkileikkauksena pintaemittoivan pystykaviteettilasersirun (vertical-cavity surface emitting ' ·‘ laser, VCSEL) asennusta primääriseen jäähdytyselimeen, kuva 3 esittää kaaviomaisena poikkileikkauksena vortex-putken, . ..; 35 jossa sisäisiä virtauslinjoja on esitetty nuolikatkoviivoina, 115872 10 kuva 4 esittää kaaviomaisesti keksinnön mukaisen vortex-putki-avusteisen, diodilaserin kaasujäähdytysjärjestelmän pääosia, 5 kuva 5 esittää yksinkertaistettuna kaaviona suljetun silmukan säätöjärjestelmää diodilaserlaitteen lämpötilan virittämiseksi mittaamalla joko diodisäteilijän tai jäähdytyselimen lämpötilaa tai lasersäteilyn optisia ominaisuuksia, 10 kuva 6a esittää kaaviomaisesti ECDL-laserresonaattoria, jossa lasersäteilijäsiru on asennettu jäähdytyselimeen, kuvat 6b ja 6c esittävät kahta aallonpituuskäyrästöä, jotka havainnollistavat yhdistettyä aallonpituuden viritystä resonaattorin ja 15 lämpötilavahvistuksen avulla, kuva 7a esittää kaaviomaisena kuvantona partikkelien kuvantamis-sovellusta plasmaruiskutusympäristössä, jossa käytetään diodilaservalaistusta, ja 20 kuva 7b esittää aallonpituusspektrikaaviota, jossa on valittuja voimakkaita atomiargonspektriviivoja ja on havainnollistettu ; ; lämpötilaviritysmenetelmää spektriviivojen interferenssin ‘ ; välttämiseksi plasmaruiskutussovelluksessa.The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which Fig. 10a is a schematic cross-sectional view of a diode radiator mounted on a single primary gas convection-cooled open heat-conducting cooling element; Fig. 1c shows a schematic cross-sectional side view of a diode,, radiator mounted on a single primary VI gas convection cooled, cooled, closed, double-brazed, 'V' edge mounted laser beam mounted in a schematic cross-section: '' | hdytyselimeen, ... 30 Figure 2b shows a schematic cross-section of the surface-emitting pystykaviteettilasersirun (vertical-cavity surface-emitting "·" Laser, VCSEL), the installation of the primary cooling member, Figure 3 shows a schematic cross section of a vortex tube. ..; Figure 5 schematically shows the main parts of a vortex tube assisted diode laser gas cooling system according to the invention; Fig. 6a is a schematic diagram of an ECDL laser resonator with a laser beam chip mounted on a cooling member, Figs. 6b and 6c illustrate two wavelength diagrams illustrating the combined wavelength excitation using a resonator and 15a, Fig. 7b shows a wavelength spectrum diagram with selected strong atomic argon spectral lines and is illustrated; ; temperature tuning method for spectral line interference '; to avoid plasma spraying.

2525

Keksinnön eräiden edullisten suoritusmuotojen yksityiskohtainen : V kuvausDetailed Description of Some Preferred Embodiments of the Invention: V

• * J• * J

* s ** s *

On huomattava, että oheiset piirustukset on laadittu pelkästään havain- ;· 30 nollistamistarkoituksessa eikä niissä esimerkiksi esitetä laitteiden eri komponentteja niiden oikeassa suhteellisessa mittakaavassa ja/tai muodossa. Selvyyden vuoksi piirustuksista on jätetty pois ne kompo-· ;*; nentit ja yksityiskohdat, jotka eivät ole oleellisia keksinnön ajatuksen selittämiseksi.It should be noted that the accompanying drawings are for illustrative purposes only, · 30 and are not intended to illustrate, for example, the various components of the devices in the correct relative scale and / or form. For the sake of clarity, they are omitted from the drawings; ·; Items and details not essential to explaining the idea of the invention.

;· i 35 u 115872 Jäähdytyselinjärjestelyt; · I 35 u 115872 Cooling System Arrangements

Viittaamalla kuviin 1a-c selostetaan aluksi joitakin edullisia tapoja jäähdyttää diodilasersäteilijää DL jäähdytyselimen avulla. Kuvissa 1a-c 5 on merkitty sisäänmenevää jäähdytysainevirtausta F mustilla nuolilla ja ulostulevaa eli poistuvaa jäähdytysainevirtausta valkoisilla nuolilla.With reference to Figures 1a-c, some advantageous ways of cooling the diode laser emitter DL by means of a cooling element will first be described. 1a-c 5, the incoming refrigerant flow F is indicated by black arrows and the outgoing refrigerant flow F by white arrows.

Kuvissa 1a-c diodilasersäteilijäsiru 10 on asennettu primääriseen jäähdytyselimeen 11. Primäärinen jäähdytyselin on ainakin yhdeltä 10 ulkomitaltaan ja massaltaan merkittävästi suurempi kuin itse säteilijä-siru. Vaihtoehtoisesti primääriselle jäähdytyselimelle 11 voidaan kiinnittää useita säteilijöitä, joko yksittäisellä sirulla tai erillisillä siruilla. Laser-sirut voidaan kiinnittää primääriseen jäähdytyselimeen juottamalla tai puristamalla vastakkaisesta pinnasta, kuten tekniikan tasosta on 15 tunnettua.1a-c, the diode laser emitter chip 10 is mounted on the primary heatsink 11. The primary heatsink is at least one of 10 external dimensions and masses significantly larger than the emitter chip itself. Alternatively, a plurality of radiators may be attached to the primary cooling member 11, either on a single chip or on separate chips. Laser chips can be attached to the primary cooling member by soldering or pressing from an opposite surface, as is known in the art.

Reunasta säteilevän diodilaserin tapauksessa asennuspuoli on edullisesti laserdiodin anodielektrodi, ja primäärinen jäähdytyselin 11 toimii myös lasersirun sähköisenä anodikontaktina. Lasersirun katodi-20 elektrodi on asentamattomalla puolella, ja sähköinen kytkentä katodiin järjestetään liittämällä tälle puolelle johdinlanka tai -kalvo 17. Tämä : lanka tai kalvo kytketään laserenergialähteeseen (ei esitetty piirustuk- .·. sessa). Eristinlohko 18 estää sähköisen oikosulun laserelektrodien :.. välillä.In the case of an edge-emitting diode laser, the mounting side is preferably the anode electrode of the laser diode, and the primary cooling element 11 also functions as the electrical anode contact of the laser chip. The cathode-20 electrode of the laser chip is on the unmounted side, and electrical connection to the cathode is provided by attaching a conductor wire or membrane 17 to this side. This: The wire or membrane is connected to a laser power source (not shown). The insulator block 18 prevents electrical short-circuiting between the laser electrodes:.

2525

Jos laitteeseen kuuluu lämpösähköinen jäähdytin 12 (Peltierin : V elementti), kuten kuvassa 1b on esitetty, siinä on myös sekundäärinen jäähdytyselin 13. Sekä primäärisellä 11 että sekundäärisellä 13 jäähdytyselimellä on tasainen pinta, jonka koko vastaa likimäärin ;!· 30 jäähdyttimen 12 aktiivista pintaa. Primäärinen jäähdytyselin 11 on kiinnitetty lämpösähköisen jäähdyttimen 12 kylmälle puolelle CS ja sekundäärinen jäähdytyselin 13 sen kuumalle puolelle HS. Jäähdytys- »«* ·;;; elimet 11, 13 on kiinnitetty jäähdytinlaitteeseen 12 kiristämällä, sopi- vimmin käyttäen lämpöä johtavaa tiivistyspastaa, jota on levitetty :··: 35 kosketuspinnoille.If the apparatus includes a thermoelectric radiator 12 (Peltier: V element) as shown in Figure 1b, it also has a secondary radiator 13. Both the primary 11 and secondary 13 radiators have a flat surface approximately equal to the active surface of the radiator 12. The primary cooling element 11 is mounted on the cold side CS of the thermoelectric cooler 12 and the secondary cooling element 13 on its hot side HS. Refrigeration- »« * · ;;; the members 11, 13 are secured to the cooling device 12 by tightening, preferably using a heat-conductive sealing paste applied to: ··: 35 the contact surfaces.

* *» 115872 12 Jäähdytyselin, joka johtaa lämmön jäähdytysainevirtaukseen, on rakenteeltaan sellainen, että se edistää konvektiivista lämmönsiirtoa. Avoimen, lämpöä johtavan jäähdytyselimen tapauksessa (kuvat 1a ja 1b) tämä voi käsittää harjanne- tai sauvamaisia jäähdytysripoja 14, 5 jotka ulkonevat jäähdytyselimen yhdestä pinnasta jäähdytysaineen päävirtauksen F reitille. Jos jäähdytyselinrakenne on suljettu (kuva 1c), lämpöä johtava jäähdytyselin käsittää porattuja tai muutoin työstettyjä sisäkanavia tai -kammioita 15, jotka sisältävät jäähdytysainevirtauksen F, jolloin tällaisen kanavan tai kammion sisäseinämissä voi myös olla 10 lämmönsiirtoa edistäviä jäähdytysripoja 16.* * »115872 12 The cooling member that conducts the heat coolant flow is structured to promote convective heat transfer. In the case of an open, heat-conducting cooling element (Figures 1a and 1b) this may comprise rib or rod-shaped cooling fins 14, 5 projecting from one face of the cooling element to the path of the main refrigerant flow F. If the cooling member structure is closed (Fig. 1c), the heat-conducting cooling member comprises drilled or otherwise machined inner passageways or chambers 15 containing coolant flow F, wherein the inner walls of such channel or chamber may also include 10 heat transfer promoting fins 16.

Diodilaserin asennusDiode laser installation

Kuviin 2a ja 2b viitaten esitetään joitakin vaihtoehtoisia diodilaser-15 säteilijän DL asennusratkaisuja, jotka sopivat käytettäviksi nyt esillä olevan keksinnön kanssa. Kuvassa 2a on järjestetty juotettavaksi yhteen symmetrinen rakenne, joka käsittää reunasta säteilevän diodilaserin 20, kaksoispäätylohkot 21 ja sähköisen eristelevyn 22. Tämä rakenne vastaa patentissa US 5 913 108 kuvattua rakennetta. 20 Vaihtoehtoisesti diodilasersiru voi olla pintaemittoiva pystykaviteetti-lasersiru 23, joka on asennettu primääriseen jäähdytyselimeen sen ei- . säteilevälle puolelle, kuten kuvassa 2b on esitetty.Referring to Figures 2a and 2b, some alternative mounting solutions for a diode laser-15 radiator DL suitable for use with the present invention are shown. Fig. 2a is arranged to be soldered together by a symmetrical structure comprising an edge emitting diode laser 20, dual end blocks 21 and an electrical insulating plate 22. This structure corresponds to that described in US 5,913,108. Alternatively, the diode laser chip may be a surface emitting vertical cavity laser chip 23 mounted on the primary cooling element by its non-laser. on the radiating side as shown in Figure 2b.

• · · « · • >• · · «· •>

Keksinnön mukaan mitä tahansa kuvissa 1a-c esitettyä jäähdytyselin-25 järjestelyä voidaan soveltaa minkä tahansa kuvissa 1a, 2a-b esitetyn diodilaserin asennusratkaisun yhteydessä.According to the invention, any of the cooling element arrangements shown in Figures 1a-c can be applied in conjunction with any of the diode laser mounting solutions shown in Figures 1a, 2a-b.

Vortex-putken toiminta :· 30 Vortex-putki on laite, joka jakaa tulevan kaasuvirtauksenOperation of the Vortex tube: · 30 The Vortex tube is a device that distributes the incoming gas flow

Un :***: kuumentuneeseen ja jäähtyneeseen poistovirtaukseen. Vortex-putket *. ja niiden toimintaperiaate ovat sinänsä tunnettuja, ja niitä on kuvattu ·;;; esimerkiksi US-patentissa 1 952 281. Vortex-putki käsittää lieriömäisen " * * ·' pitkänomaisen virtauskanavan, johon tuleva kaasu johdetaan lähellä :·· 35 putken toista päätä olevan kapean tuloaukon kautta putken seinämän läpi tangentiaalisessa suunnassa.Un: ***: for heated and cooled exhaust. Vortex tubes *. and their principle of operation are known per se and have been described · ;;; for example, in U.S. Patent No. 1,952,281. The Vortex tube comprises a cylindrical "* * ·" elongated flow passage into which gas is conducted near: ·· 35 through a narrow inlet at one end of the tube through the tube wall in a tangential direction.

13 1 1 587213 1 1 5872

Vortex-putken toiminnalle on tunnusomaista, että se ei vaadi paine-kaasulähteen lisäksi mitään lisälämpöpumppua tai muuta energialähdettä. Mitään myrkyllisiä aineita, kuten ammoniakkia tai freonia, ei 5 tarvitse käyttää. Kaupallisia vortex-putkimoduuleita valmistavat ITW Vortec (Yhdysvallat) ja Exair (Yhdysvallat). Niitä on saatavilla eri kokoisina, jolloin kaasun virtauskapasiteetti ja kokonaisjäähdytysteho kasvavat koon mukaan. Vortex-putkia tiedetään käytettävän kylmä-kaasuvirtauksen muodostamiseen monissa sovelluksissa, joita ovat 10 kotelointien (vrt. US-patentti 6 401 463) ja ompelukoneiden neulojen (vrt. US-patentti 4 305 339) jäähdyttäminen. Kuitenkin hakijan parhaan tietämyksen mukaan vortex-putkia ei ole ajateltu käytettäviksi minkään optoelektronisten komponenttien, kuten diodilasereiden, hukkalämmön poistamiseen.The Vortex tube is characterized by the fact that it does not require any additional heat pump or other source of energy other than a pressurized gas source. No toxic substances such as ammonia or freon need to be used. Commercial vortex tube modules are manufactured by ITW Vortec (USA) and Exair (USA). They are available in different sizes, increasing the gas flow capacity and overall cooling capacity according to size. Vortex tubes are known to be used to generate a cold gas stream in many applications, including cooling the enclosures (cf. U.S. Patent 6,401,463) and sewing machine needles (cf. U.S. Patent 4,305,339). However, to the best of the applicant's knowledge, vortex tubes are not intended to be used to remove any waste heat from optoelectronic components such as diode lasers.

1515

Tyypillisessä vortex-putkisovelluksessa on kaksi putkiliitintä: ensimmäinen tulevaa kaasua varten ja toinen jäähtyneen virtauksen poistoon. Kuumentunut virtaus päästetään ympäristöön poistoaukon kautta. Poistoaukossa on lisäksi säädettävä venttiili, joka säätelee kaasu-20 virtauksen jakautumista kuumentuneen ja jäähtyneen virtauksen välillä. Vortex-putken todellinen suorituskyky riippuu toimintaparametreista, . . joita selostetaan jäljempänä. Yleisesti ottaen voidaan tulevan ja jäähty- neen kaasuvirtauksen välillä saavuttaa yli 50 K lämpötilaeroja.A typical vortex tube application has two pipe fittings: one for incoming gas and the other for cooled flow outlet. The heated flow is discharged into the environment through the outlet. The outlet also has an adjustable valve that regulates the distribution of gas-20 flow between heated and cooled flow. The actual performance of the Vortex tube depends on the operating parameters,. . which are explained below. In general, temperature differences between the incoming and the cooled gas flow of more than 50 K can be achieved.

* * * • 4 4 25 Vortex-putken käytön ansiosta optoelektronisia komponentteja varten tarkoitetun jäähdytysjärjestelmän suunnittelu on joustavampaa kuin j*V tekniikan tason mukaisissa ratkaisuissa. Vortex-putki tarjoaa suuren jäähdytystehon, joka on helposti säädettävissä. Tarvittaessa vortex-putki voidaan myös helposti ohittaa tai poistaa olosuhteissa, joissa 30 tehostettua jäähdytystä ei tarvita. Lisäksi on huomattava, että vortex-!·. putki voi tarvittaessa toimia myös kuumennetun kaasun lähteenä.* * * • 4 4 25 Thanks to the use of a Vortex tube, the design of a cooling system for optoelectronic components is more flexible than j * V prior art solutions. The Vortex tube offers high cooling power, which is easily adjustable. If necessary, the vortex tube can also be easily bypassed or removed under conditions that do not require enhanced cooling. It should also be noted that vortex-! ·. if necessary, the tube can also serve as a source of heated gas.

Keksinnön mukainen, vortex-putkella tehostettu jäähdytys on erityisen käyttökelpoinen optoelektronisissa laitteissa, jotka on tarkoitettu teollisiin ympäristöihin, koska tällaisissa ympäristöissä paineistettua 35 kaasua on yleensä helposti saatavilla ja monissa tapauksissa tarvitaan . ·. : ensisijaisesti yksinkertaista ja vankkaa jäähdytysjärjestelmää, jossa onVortex tube enhanced cooling according to the invention is particularly useful in optoelectronic devices for industrial environments, since pressurized gas in such environments is generally readily available and in many cases required. ·. : Primarily a simple and robust cooling system with

* · I* · I

suuri jäähdytysteho.high cooling capacity.

1 1 5872 141 1 5872 14

Vortex-putken VT toimintaa selostetaan nyt tarkemmin viittaamalla kuvaan 3. Paineistettu ja näin ollen kokoonpuristunut kaasu viedään pääputkeen 30 tangentiaalisen sisääntulon 31 kautta. Pääputken 5 geometria on suunniteltu siten, että pääputkessa syntyy lähellä sisä-seinämää nopea ulkopyörre OW. Tämä pyörrevirta ulottuu pääputken koko pituudelle kaasun sisääntulosta putken toiseen päähän 32, johon on järjestetty kapea rengasmainen aukko 33. Osa kaasuvirtauksesta pääsee poistumaan mainitun rengasmaisen aukon 33 kautta. 10 Poistuvan ja jäljellejäävän kaasun välistä virtausjakoa säädetään säätöventtiilillä 34, joka säätää mainitun rengasmaisen aukon 33 leveyttä.The operation of the Vortex tube VT will now be described in more detail with reference to Figure 3. The pressurized and thus compressed gas is introduced into the main tube 30 via a tangential inlet 31. The geometry of the main pipe 5 is designed such that a fast external vortex OW is generated near the inner wall of the main pipe. This vortex stream extends along the entire length of the main pipe from the gas inlet to the other end 32 of the pipe, which is provided with a narrow annular opening 33. Part of the gas flow is exited through said annular opening 33. The flow distribution between the exhaust gas and the residual gas is controlled by a control valve 34 which controls the width of said annular opening 33.

Jäljelläoleva kaasu virtaa putken keskivyöhykkeellä takaisin siihen 15 päähän, jossa kaasun sisääntuloaukko on. Tämän kieppuvan rengasmaisen sisäpyörteen IW nopeus on paljon pienempi kuin ulkopyörteen. Paluuvirtaus poistuu pienestä pyöreästä aukosta 35, joka on putken päätyseinämän keskellä lähellä kaasun sisääntuloaukkoa.The remaining gas flows back in the center zone of the pipe to the end 15 where the gas inlet is. The IW speed of this rotating annular inner vortex is much lower than that of the outer vortex. The return flow exits the small circular opening 35 located in the center of the end wall of the tube near the gas inlet.

20 Edellä kuvattu virtausgeometria johtaa lämmönsiirtoon sisäpyörteen IW ja ulkopyörteen OW välillä, minkä seurauksena rengasmaisesta : aukosta 33 ulos virtaava kaasu on kuumempaa ja pyöreästä aukosta : j 35 ulos virtaava kaasu on kylmempää kuin sisään tuleva kaasuvirtaus 31. Todellinen lämpötilaero ja vastaavat kuuma ja kylmä kaasuvirtaus 25 riippuvat aukon 33 leveydestä. Kylmän kaasuvirtauksen ja sisään-tulevan kaasuvirtauksen välisestä suhteesta käytetään jäljempänä : V nimitystä kylmäsuhde. Lämpötilaero kasvaa ja kylmä kaasuvirtaus pienenee vastaavasti, kun kylmäsuhde pienenee. Toisaalta vortex-putken kokonaiskaasunjäähdytysteho riippuu enimmäkseen sisään ·':· 30 tulevan kaasun paineesta. Tällä parametrien yhdistelyllä voidaan M I t jäähdytysjärjestelmän suorituskykyä säätää joustavasti jäähdytystä • * vaativan laitteen tietyissä toimintalämpötila- ja tehohäviöolosuhteissa.The flow geometry described above results in the transfer of heat between the inner vortex IW and the outer vortex OW, resulting in a hotter gas exiting from the annular opening 33 and a cooler gas outlet than the incoming gas stream 31. Actual temperature difference and corresponding hot and cold gas flow 25 depend on the width of the opening 33. The relationship between the cold gas flow and the incoming gas flow is referred to below as V: the cold ratio. The temperature difference increases and the cold gas flow decreases correspondingly as the cold ratio decreases. On the other hand, the total gas cooling capacity of the vortex tube is largely dependent on the pressure of the inlet · ': · 30 incoming gas. With this combination of parameters, the performance of the M I t cooling system can be flexibly adjusted under certain operating temperature and power dissipation conditions for the unit requiring cooling.

Vortex-putken VT sisään syötettävän kaasun on luonnollisesti oltava :··: 35 kuivaa eikä se saa sisältää partikkelimaisia epäpuhtauksia, jotta saadaan mahdollisimman tehokas jäähdytys ja vältetään vortex-putken ja muiden virtauskanavien tukkeutuminen.Of course, the gas introduced into the Vortex tube VT must be: ··: 35 dry and free from particulate contaminants to provide maximum cooling and avoid clogging of the vortex tube and other flow channels.

1 1 5872 151 1 5872 15

Seuraavaksi esitetään kuvaan 4 viittaamalla täydellisempi keksinnön mukainen diodilaserjäähdytysjärjestelmärakenne. Paineilmaa tai muuta jäähdytyskaasua tuotetaan kompressorilla 40 tai muulla sopivalla 5 painekaasulähteellä ja syötetään vortex-putkeen VT. Säätöventtiili 42 laskee paineen sopivalle tasolle, joka määräytyy vortex-putken VT ominaisuuksien ja vaadittavan jäähdytystehon mukaan. Vortex-putken VT tuottama kuuma kaasuvirtaus päästetään ympäristöön poistoaukon 43 kautta, ja kylmä kaasuvirtaus 44 johdetaan lämpöä johtavaan 10 jäähdytyselimeen. Poistoaukossa voi olla äänenvaimenninlaite 45 vortex-putken toiminnan aiheuttaman melun pienentämiseksi.Referring now to Figure 4, a more complete structure of the diode laser cooling system according to the invention will be described. Compressed air or other cooling gas is provided by a compressor 40 or other suitable source of compressed gas 5 and fed into a vortex tube VT. The control valve 42 lowers the pressure to a suitable level determined by the characteristics of the vortex tube VT and the required cooling power. The hot gas stream produced by the Vortex tube VT is discharged through the outlet 43, and the cold gas stream 44 is led to the heat-conducting cooling member 10. The outlet may include a silencer device 45 to reduce noise caused by the operation of the vortex tube.

Kun jäähdytyskaasu on kulkenut optoelektronisen laitteen DL lämpöä johtavan jäähdytyselimen 11 läpi, se voidaan kyseisen laitteen raken-15 teestä ja sovelluksesta riippuen päästää leviämään koteloon, joka sisältää optoelektronisen laitteen DL (diodilaserin 10), tai se voidaan johtaa mainitun kotelon ulkopuolelle poistokanavaa pitkin.Once the cooling gas has passed through the thermal conductive cooling member 11 of the optoelectronic device DL, depending on the design and application of the optoelectronic device DL, it can be allowed to diffuse into the enclosure containing the optoelectronic device DL (diode laser 10).

Seuraavaksi selostetaan kuvaan 5 viitaten diodilaserin suljetun 20 silmukan lämpötilasäätöjärjestelmää. Jäähdytyselimeen asennettuun diodilasersäteilijämoduuliin DL johdetaan energiaa ohjelmoitavasta . . virtalähteestä PS. Yhdellä tai useammalla koettimella P tarkkaillaan ainakin yhtä diodilaserin toimintaparametria. Tarkkailtavia parametreja '* ’= voivat olla jäähdytyselimen tai lasersäteilijän lämpötila tai jokin laser- 25 säteilyyn liittyvä optinen parametri. Tietyssä toteutusmuodossa voidaan tarkkailla yhtä tai useampaa tällaista tai muuta parametria. Kyseiseen parametriin tai parametreihin liittyvä signaali tai signaalit lähetetään ohjausjärjestelmään CS, joka on ohjelmoitu tai muutoin järjestetty toimimaan lasersäteilyn virittämiseksi halutulle aallonpituudelle. Nimen-30 omaisesta toteutusmuodosta riippuen ohjausjärjestelmä CS voi itse-näisesti säätää syötettävän kaasun painetta GP tai vortex-putken VT *” kylmäsuhdetta CR tai lämpösähköisen jäähdytyslaitteen TC toiminta- virtaa tai laservirtaa LC. Nämä parametrit muuttavat tehokkaasti diodi-lasersäteilijän lämpötilaa ja optisia säteilyominaisuuksia, jotka 35 heijastuvat tarkkailtavan parametrin P signaalissa nähtävänä erona. Tätä prosessia toistetaan, kunnes lasersäteily saavuttaa halutun aallonpituuden. Ohjausjärjestelmä voidaan myös ohjelmoida muutta- 115872 16 maan laserin viritystä ajan mittaan, jotta säteilyn aallonpituus voidaan pyyhkäistä halutulla tavalla.Referring now to Figure 5, a closed loop temperature control system for a diode laser will be described. The diode laser radiator module DL mounted on the cooling element is supplied with energy from a programmable one. . from PS. One or more probes P monitor at least one diode laser operating parameter. The parameters to be monitored '*' = may be the temperature of the cooling element or laser radiator or any optical parameter related to laser radiation. In one embodiment, one or more of these or other parameters may be monitored. The signal or signals associated with the parameter or parameters in question are transmitted to a control system CS, programmed or otherwise arranged to operate to excite the laser radiation at a desired wavelength. Depending on the embodiment of the name-30, the control system CS may independently adjust the pressure of the gas to be introduced GP or the cold ratio CR of the vortex tube VT or the operating current or laser current LC of the thermoelectric cooling device TC. These parameters effectively change the temperature and optical radiation properties of the diode laser emitter, which are reflected as a visible difference in the signal of the monitored parameter P. This process is repeated until the laser radiation reaches the desired wavelength. The control system can also be programmed to change the tuning of the 165872 16-Earth laser over time so that the wavelength of the radiation can be scanned as desired.

Lämpötilaviritysjärjestelmää voidaan käyttää yhdessä jonkin muun 5 viritysmekanismin kanssa, esimerkiksi yhdessä ulkoisen kaviteetin virittämisen tai virran säädön kanssa. Näissä eri viritysmekanismeissa käytetään sopivimmin yhtä, niille kaikille yhteistä integroitua ohjausjärjestelmää.The temperature tuning system may be used in conjunction with any other tuning mechanism, for example, with external cavitation tuning or current control. These different tuning mechanisms preferably use one integrated control system common to all of them.

10 Diodilasersäteilijä 10 ja jäähdytyselin 11, 13 on sopivimmin sijoitettu koteloon, joka muodostaa lämpöeristeen ympäristön suhteen. Vortex-putki VT on edullisesti sijoitettu samaan koteloon kuin diodilasersäteilijä ja jäähdytyselin.The diode laser emitter 10 and the cooling member 11, 13 are preferably housed in a housing which forms a thermal insulation with respect to the environment. The Vortex tube VT is preferably housed in the same housing as the diode laser radiator and cooling element.

15 Takaisinkytkentäohjausjärjestelmä toimii sopivimmin säätämällä vortex-putkeen 30 tulevan kaasun 31 painetta GP ja/tai vortex-putken VT kylmäsuhdetta CR; jos käytetään lämpösähköistä 12 jäähdytintä, voidaan säätää myös jäähdyttimen 12 toimintavirtaa.Preferably, the feedback control system operates by controlling the pressure GP of the gas 31 entering the vortex tube 30 and / or the cold ratio CR of the vortex tube VT; if a thermoelectric 12 cooler is used, the operating current of the cooler 12 can also be adjusted.

20 Esimerkkejä edullisista sovelluksista . . Lopuksi selostetaan joitakin edullisia sovelluksia, joissa hyödynnetään optoelektronisten puolijohdekomponenttien jäähdytystä vortex-putken VT avulla.20 Examples of Preferred Applications. . Finally, some advantageous applications which utilize cooling of optoelectronic semiconductor components by means of a vortex tube VT are described.

2525

Kuten edellä on jo mainittu, nykyisiä tarkkuusviritettäviä diodilasereita ; V toteutetaan pelkästään ECDL-tekniikalla. Kuvaan 6a viitaten esitetään kaaviomaisesti tyypillinen ECDL-kaviteettirakenne, joka käsittää diodi-lasersäteilijäsirun 60, jäähdytyselimen 61, optisen diffraktiohilan 62 ja 30 viritysmekanismin 63. Hilan 62 ja sirun vastakkaisella puolella olevan diodilasersäteilijän 60 takapinnan RF välille muodostuu laser- • * "·’ resonaattori. Viritysmekanismi muuttaa hilan 63 kallistuskulmaa .. ‘: ’ muuttaen tehokkaasti laserresonaattorin vahvistusparametreja.As already mentioned above, current precision tunable diode lasers; V is implemented using ECDL technology alone. Referring to Figure 6a, a typical ECDL cavity structure comprising a diode-laser beam chip 60, a cooling element 61, an optical diffraction grating 62 and 30 excitation mechanism 63 is schematically shown between the grid 62 and the reverse surface of the diode laser beam 60. The tuning mechanism changes the tilt angle of the grating 63 .. ':' effectively changing the gain parameters of the laser resonator.

35 Kuvassa 6b on esitetty ECDL-laserin lämpötilan ja resonaattorin .·. : yhdistetty viritysmekanismi. Tietyssä aktiivisen väliaineen lämpötilassa 17 115872 T1 laserväliaineella on vakiona pysyvä aallonpituuden vahvistusfunktio W1. Tietyssä viritysasennossa resonaattorilla on aallonpituuden vahvistusfunktio R1, ja resonaattorin ja väliaineen vahvistusfunktiot ovat toisistaan riippumattomat. Laserin lasersäteilyn aallonpituusprofiili 5 EP1 määräytyy kyseisten väliaineen ja resonaattorin vahvistus-funktioiden tulona. Resonaattorin virityksen R vaihteluväli määräytyy tyypillisesti kaviteetin rakenteen mukaan ja on suurempi kuin laser-väliaineen vahvistuksen vaihteluväli.35 Figure 6b shows the temperature and resonator of the ECDL laser. : combined tuning mechanism. At a given active medium temperature 17,118,572 T1, the laser medium has a constant wavelength gain function W1. In a given excitation position, the resonator has a wavelength gain function R1, and the resonator and medium gain functions are independent of each other. The wavelength profile 5 EP1 of the laser radiation from the laser is determined by the input of these media and resonator gain functions. The range of resonator excitation R is typically determined by the structure of the cavity and is greater than that of the laser medium gain.

10 Kun laserin aktiivinen väliaine jäähdytetään keksinnön mukaisella jäähdytysmekanismilla lämpötilaan T2 (katso kuva 6c), laserväliaineen vahvistusfunktio muuttuu aallonpituuden WS verran, jolla on lähes lineaarinen riippuvuus lämpötilasta arvoilla, jotka ovat lähellä huoneenlämpötilaa, jolloin saadaan uusi väliaineen vahvistusfunktio W2. Jos 15 resonaattori suunnitellaan siten, että R ulottuu olemaan päällekkäin W2:n kanssa, se voidaan nyt virittää asemaan R2, jolloin saadaan uusi lasersäteilyprofiili EP2, joka ei olisi ollut mahdollinen ilman keksinnön mukaista lämpötilaviritysmahdollisuutta.When the laser active medium is cooled to T2 by the cooling mechanism of the invention (see Figure 6c), the laser medium gain function changes by a wavelength WS that has a near linear dependence on temperature at values close to room temperature to provide a new medium gain function W2. If the resonator 15 is designed so that R extends to overlap W2, it can now be tuned to position R2 to provide a new laser radiation profile EP2 that would not have been possible without the temperature tuning option of the invention.

20 Lämpötilavirityksen nopeus riippuu pääasiassa lämpötilasäätö-järjestelmän jäähdytystehosta sekä lasersirun ja jäähdytyselimien . . yhdistetystä termisestä massasta. Oikein suunnitellussa rakenteessa lämpötilavirityksen nopeus voi olla luokkaa 10 K/s, mikä vastaisi aallon-pituutena joitakin nanometrejä sekunnissa. Tämä on paljon suurempi : 25 kuin tyypillisen tekniikan tason mukaisen tarkkuusresonaattori- viritysmekanismin aallonpituuden viritysnopeus.20 The temperature tuning speed depends mainly on the cooling power of the temperature control system and on the laser chip and cooling elements. . from a combined thermal mass. In a properly designed structure, the temperature tuning speed can be in the order of 10 K / s, which would correspond to a wavelength of a few nanometers per second. This is much higher: 25 than the wavelength excitation rate of a typical prior art precision resonator tuning mechanism.

:*[*: Toinen sovellus, jossa viritettävistä diodilasereista on paljon hyötyä, on nopeiden tapahtumien kuvantaminen epästabiilissa tai jatkuvassa 30 hyvin voimakkaassa taustavalaistuksessa. Esimerkkejä tällaisista tapahtumista ovat räjähdykset, kipinöinti ja termiset ruiskutusprosessit.: * [*: Another application where tunable diode lasers are very useful is imaging fast events in unstable or continuous 30 very strong backlighting. Examples of such events are explosions, sparks, and thermal injection processes.

···:* Yleisesti ottaen diodilasereilla voidaan lähettää hyvin voimakkaita valo- pulsseja nanosekunnin luokkaa olevalla aikaresoluutiolla, mikä on : 35 riittävän nopeaa ja tarkkaa minkä tahansa mekaanisen tapahtuman kuvantamiseen. CCD- (Charge Coupled Device) tai CMOS- • * 115872 18 (Complementary Metal Oxide Semiconductor) -kamera on melko kustannustehokas laite tieteelliseen tai teolliseen kuvantamiseen, mutta tällä hetkellä näillä kameroilla on suhteellisen pitkät minimi-valotusajat, tyypillisesti 1 ms tai enemmän, jolloin tunnistimeen pääsee 5 liikaa taustavaloa. Tästä syystä, vaikka pulssitoimisella diodilaserilla voitaisiinkin muodostaa hyvin lyhyt stroboskooppinen pulssi, kamera kerää kuitenkin tarpeettomasti taustavaloa myös pulssin keston ulkopuolelta. Jotta tämä taustavalo ei pääsisi tunnistimeen valotuksen aikana, voidaan käyttää optista suodatusta. Diodilaserin kapean 10 emissiospektrin ansiosta tähän tarkoitukseen voidaan käyttää kapeakaistaista interferenssisuodatinta, joka vähentää taustavalon kokonaismäärää useimmissa tapauksissa useita kertaluokkia.···: * Generally speaking, diode lasers are capable of transmitting very strong light pulses at nanosecond time resolution, which is: 35 fast enough and accurate for imaging any mechanical event. The CCD (Charge Coupled Device) or CMOS * 115872 18 (Complementary Metal Oxide Semiconductor) camera is a relatively cost-effective device for scientific or industrial imaging, but currently these cameras have relatively long minimum shutter speeds, typically 1 ms or more, 5 too many backlights can reach the sensor. For this reason, even if a pulsed diode laser can produce a very short stroboscopic pulse, the camera will also unnecessarily collect backlight from outside the pulse duration. Optical filtering can be used to prevent this backlight from entering the sensor during exposure. Due to the narrow emission spectrum of the diode laser, a narrowband interference filter can be used for this purpose, which in most cases reduces the total amount of backlight by several orders of magnitude.

Seuraavaksi selostetaan käytännön esimerkkiä kuvantamis-15 sovelluksesta, jossa diodilaserin lämpötilaviritys vortex-putken avulla osoittautuu hyvin käyttökelpoiseksi. Kuvaan 7a viitaten esitetään järjestelmä partikkelien havaitsemiseksi plasmaruiskutusympäristössä. Plasmaruiskutus on tunnettu terminen ruiskutusmenetelmä erilaisten erikoispinnoitteiden, kuten lämpösuoja-, syöpymisenkesto- tai pieni-20 kitkapinnoitteiden valmistamiseksi.The following describes a practical example of an imaging 15 application where a vortex tube temperature tuning of a diode laser proves to be very useful. Referring to Figure 7a, a system for detecting particles in a plasma spraying environment is shown. Plasma spraying is a known thermal spraying method for producing various special coatings, such as heat protection, anti-corrosion or low-friction coatings.

. , Kuvan 7a mukainen tyypillinen plasmaruiskutusjärjestelmä käsittää *7*5 partikkelinsyöttölaitteen 70, joka muodostaa kiinteitä partikkeleita •V·: sisältävän kaasuvirtauksen. Mainittu virtaus sekoitetaan plasma- 25 soihdusta 71 syötettävään kuumaan plasmavirtaukseen, joka ’·[[[ muodostaa plasmasuihkun PS. Kaasun lämpötila tällaisessa plasma- :*·*: suihkussa on tyypillisesti 3000 K tai ehkä merkittävästi enemmänkin, jolloin partikkelien lämpötila on jonkin verran matalampi. Partikkelien havaitsemiseksi diodilaser 72 lähettää lyhyen laserpulssin LB, joka 30 osuu suihkuun tietyssä kohdassa. Laservalo siroaa osittain partikke- ,···, leista, ja kamerailmaisin 73 kerää sironneen valon ja muodostaa kuvan plasmasuihkussa olevista partikkeleista. Diodilaser 72 ja kamera-ilmaisin 73 on tyypillisesti järjestetty suoraan kulmaan plasmasuihkun PS kulkusuuntaan nähden. Kameran 73 eteen järjestetty optinen 35 kapeakaistasuodatin 74 päästää laservalon lävitseen, mutta estää ,·, ; hyvin voimakkaan plasmakaasun taustasäteilyn, joka muutoin. A typical plasma injection system of Figure 7a comprises a * 7 * 5 particle feeder 70 which forms a gas stream containing solid particles • V ·. Said flow is mixed with a plasma plasma stream fed from a plasma torch 71 which provides a plasma jet PS. The temperature of the gas in such a plasma: * · *: jet is typically 3000 K or perhaps significantly more, with the particle temperature being somewhat lower. To detect the particles, the diode laser 72 emits a short laser pulse LB that hits the jet at a certain point. The laser light partially scatters from the particles, ···, and the camera detector 73 collects scattered light and forms an image of the particles in the plasma jet. The diode laser 72 and camera detector 73 are typically arranged at right angles to the direction of travel of the plasma jet PS. The optical narrowband filter 74 provided in front of the camera 73 allows the laser light to pass through, but prevents, ·,; very strong plasma gas background radiation, which otherwise

* * I* * I

kyllästäisi ilmaisimen.would saturate the detector.

115872 19115872 19

Optisen suodatuksen käyttö taustan estämiseen ei ole kuitenkaan tehokasta, jos taustasäteily on hyvin voimakasta juuri laservalon aallonpituudella. Plasmavirtauksessa on tyypillisesti suuri määrä argon-5 kaasua. Tässä tapauksessa plasman säteilyspektri sisältää useita hyvin voimakkaita atomisen argonin spektriviivoja, jolloin voimakkaimmat viivat ovat lähellä sähkömagneettisen spektrin infrapunaosia. Valitettavasti nämä viivat sattuvat osumaan päällekkäin tällä hetkellä käytettävissä olevien tehokkaimpien GaAIAs-diodilaserlaitteiden 10 lähettämän säteilyn aallonpituuksien kanssa, jotka ovat noin 800 nm. Tällaisissa lasereissa on tyypillisesti yksinkertainen monimuoto-resonaattori, joka tuottaa suhteellisen leveän lasersäteilyprofiilin, jonka aallonpituus on ainakin 3-4 nm. Tällaisia lasereita käytettäessä on lämpötilaviritys ainoa toteuttamiskelpoinen aallonpituuden viritys-15 mahdollisuus.However, the use of optical filtering to suppress background is not effective if the background radiation is very strong at the wavelength of the laser light. The plasma stream typically contains a large amount of argon-5 gas. In this case, the plasma radiation spectrum contains a number of very strong spectral lines of atomic argon, with the strongest lines near the infrared portions of the electromagnetic spectrum. Unfortunately, these lines coincide with the wavelengths of radiation emitted by the most efficient GaAIAs diode laser devices 10 currently available, which are about 800 nm. Such lasers typically have a simple multi-mode resonator that produces a relatively wide laser radiation profile having a wavelength of at least 3-4 nm. With such lasers, temperature tuning is the only feasible wavelength tuning option.

Diodilasersirun säteilyn tarkka keskiaallonpituus riippuu laserin aktiivisen materiaalin tarkasta koostumuksesta, jota voidaan säätää jonkin verran lasersirun valmistusprosessissa. On kuitenkin kallista 20 rakentaa diodilasereita, joilla on tarkat säteilyn aallonpituusvaati- mukset, ja siinäkin tapauksessa sirua on käytettävä tarkasti säädellyis- , . sä olosuhteissa. Näistä syistä on vaikeaa välttää täysin lasersäteilyn * * * viivojen osumista päällekkäin spektriviivojen kanssa. Aallonpituus-viritystä voidaan käyttää lasersäteilyn aallonpituuden muuttamiseksi 25 arvoon, jossa ei ole päällekkäisyyttä tausta-atomiviivojen kanssa, tässä tapauksessa atomisen argonin viivojen kanssa, riippumatta laser-säteilijän nimellisaallonpituudesta.The exact average wavelength of the diode laser chip radiation depends on the exact composition of the active laser material, which can be adjusted to some extent in the laser chip manufacturing process. However, it is expensive 20 to construct diode lasers that have precise radiation wavelength requirements, and even in that case, the chip must be used in strictly controlled conditions. under these circumstances. For these reasons, it is difficult to avoid completely overlapping the * * * lines of the laser radiation with the spectral lines. Wavelength tuning can be used to change the wavelength of laser radiation to a value that does not overlap with the background atomic lines, in this case the atomic argon lines, regardless of the nominal wavelength of the laser radiator.

Seuraavaksi esitetään kuvaan 7b viitaten tämä menettely argon-... 30 plasmalämpöruiskutuksessa. Viisi merkittävintä Ar-spektriviivaa Ar795- /··. Ar811 ovat voimakkaasti esillä plasmaruiskutuksen PS tausta- säteilyssä. Kaupallisesti saatavilla olevan diodilaserin lasersäteily-kaistan DL1 nimellisen keskiaallonpituuden esitetään olevan 808 nm, jolloin se on voimakkaasti päällekkäin viivojen AR810 ja Ar811 kanssa.Referring now to Figure 7b, this procedure for argon-30 plasma thermal injection is illustrated. The five most significant Ar spectral lines are Ar795 / ··. Ar811 is strongly present in background radiation of plasma injection PS. The commercially available diode laser laser emission band DL1 is shown to have a nominal mean wavelength of 808 nm, where it overlaps strongly with the lines AR810 and Ar811.

35 Kannattaa suunnitella optinen interferenssisuodatin 74 siten, että .·, ; suodattimen päästökaista OF ei osu päällekkäin minkään edellä- ‘ ‘ mainitun taustaviivan kanssa. Sen päällekkäisyys virittämättömän 115872 20 “standardinmukaisen” laserviivan kanssa on kuitenkin minimaalinen ja johtaa heikkoon sirontasignaaliin, jota kamera 73 ei ehkä havaitse. Jos lasersäteilykaista viritetään kohtaan DL2, päällekkäisyys suodattimen päästökaistan kanssa on suuri ja kameran 73 havaitsema signaali 5 nousee havaittavalle tasolle.35 It is a good idea to design the optical interference filter 74 so that. ·,; the filter pass band OF does not overlap with any of the aforementioned background lines. However, its overlap with the non-tuned 115872 20 "standard" laser line is minimal and results in a weak scattering signal that may not be detected by camera 73. If the laser emission band is tuned to DL2, the overlap with the pass band of the filter is high and the signal 5 detected by the camera 73 rises to a detectable level.

Nyt esillä olevan keksinnön mukainen vortex-putkikäyttöinen lämpötila-viritys on sopivin ratkaisumalli edellä kuvattuun sovellukseen, koska ympäristöolosuhteet ovat termisessä ruiskutuksessa hyvin ankarat. 10 Plasmasuihku on voimakas lämmönlähde, joka muodostaa suuren säteilevän ja konvektiivisen lämpökuorman ympäristöönsä, missä on käytettävä sekä laserdiodilaitetta että kameralaitetta. Vortex-putken VT tarjoamaa suurta jäähdytystehoa voidaan käyttää diodilaserkompo-nenttien DL ja kotelon jäähdyttämiseen laserviritystoiminnan lisäksi.The vortex tubular temperature tuning according to the present invention is the most suitable solution for the above-described application because the environmental conditions are very severe in thermal spraying. 10 The plasma jet is a powerful heat source that generates a high radiant and convective heat load in its environment, where both a laser diode device and a camera device are required. The high cooling power provided by the Vortex tube VT can be used to cool the diode laser components DL and the housing in addition to laser tuning.

1515

Vaikka keksintöä on edellä selostettu ja kuvattu optoelektronisten laitteiden, pääasiassa laserdiodikomponenttien, valittujen suoritusmuotojen yhteydessä, on selvää, että nämä suoritusmuodot ovat vain esimerkkejä ja että alan asiantuntija pystyy nyt esillä olevan keksinnön 20 hengen ja suojapiirin puitteissa konstruoimaan muita suoritusmuotoja käyttämällä muita kuin tässä yhteydessä nimenomaan selostettuja . , teknisiä yksityiskohtia. Näin ollen on huomattava, että alan asian- tuntijalle on mahdollista tehdä esitettyjen laitteiden muodossa ja yksityiskohdissa samoin kuin niiden toiminnassa erilaisia poistoja, 25 korvauksia ja muutoksia poikkeamatta keksinnön ajatuksesta. NäinAlthough the invention has been described and described above in connection with selected embodiments of optoelectronic devices, mainly laser diode components, it will be appreciated that these embodiments are exemplary only and that within the scope and scope of the present invention, other embodiments other than those specifically described herein . , technical details. Accordingly, it will be appreciated that it will be possible for one skilled in the art to make various deletions, replacements, and modifications in the form and details of the devices disclosed and in their operation without departing from the spirit of the invention. Thus

« t I«T I

ollen tarkoituksena on rajoittaa keksintöä ainoastaan siten kuin on esitetty oheisten patenttivaatimuksen suojapiirinä.it is therefore intended to limit the invention only as set forth in the appended claims.

Näin ollen laserdiodin aallonpituuden viritettävyyttä voidaan käyttää 30 muissakin lasersovelluksissa kuin niissä, jotka liittyvät suoraan plasma-ruiskutukseen ja Ar-spektriviivoihin. Aallonpituuden viritettävyyttä • * T voidaan käyttää myös muihin tarkoituksiin kuin välttämään ei-toivottu päällekkäisyys interferonien spektriviivojen tai muiden spektripiirteiden kanssa. Esimerkiksi voidaan virittää puolijohdesäteilijän aallonpituus 35 osumaan kohdakkain optisen järjestelmän muiden aktiivisten tai passiivisten komponenttien kanssa, tai vain pitää säteilyn aallonpituus vakiona muutoin vaihtelevissa ympäristöissä. Vortex-putken käyttöön 115872 21 perustuvaa lämpötilan säätelyä tai jäähdytysjärjestelmää voidaan käyttää myös optisissa tunnistimissa, esimerkiksi puolijohdekamera-ilmaisimissa.Thus, laser diode wavelength tunability can be used in laser applications other than those directly related to plasma injection and Ar spectral lines. Wavelength tunability • * T can also be used for purposes other than to avoid unwanted overlap with interferon spectral lines or other spectral features. For example, a wavelength 35 of a semiconductor radiator may be tuned to coincide with other active or passive components of an optical system, or simply keep the wavelength of radiation constant in otherwise variable environments. A temperature control or cooling system based on the use of a Vortex tube 115872 21 can also be used in optical sensors, such as semiconductor camera detectors.

5 I t » · > *5 I t »·> *

« I«I

* t * * * f * * * » I « i Ϊ* t * * * f * * * »I« i Ϊ

> 1 f t I i I> 1 f t I i I

Claims

115872

A method for controlling the temperature of an optoelectronic semiconductor component (DL), wherein the at least one gas flow (F) is arranged to transfer heat from said component (s) to said component (DL) directly or indirectly via at least one heat conducting cooling element (11, 12, 13) wherein at least a portion of said gas flow (F) is passed through a vortex tube (VT) to change the temperature of said gas flow (F). 10

Method according to claim 1, characterized in that said at least one gas flow (F) is arranged to cool the optoelectronic semiconductor component (DL).

Method according to claim 1, characterized in that said at least one gas stream (F) is arranged to heat an optoelectronic semiconductor component (DL).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling and / or heating of the optoelectronic semiconductor component (DL) is arranged to be adjustable: by closed-loop feedback. • »· • · • • • •.; L:

A method according to claim 4, characterized in that the? 25 closed-loop feedback control operates by adjusting the pressure (GP) or the cold-to-V ratio (CR) of the gas (31) entering the vortex: ···: VT. • · »I · •» * * *

6. A method according to any one of the preceding claims, characterized in that the optoelectronic semiconductor component (DL) is a diode laser and the temperature of the active laser medium of the diode laser is adjusted to excite the wavelength of the laser radiation.

Apparatus for controlling the temperature of an optoelectronic semiconductor component (DL) 35, said apparatus comprising means for arranging at least one gas flow (F) to transfer heat from said 115872 component (s) (DL) directly or; indirectly via at least one heat-conducting cooling element (11, 12, 13), characterized in that said apparatus further comprises at least a vortex tube (VT) through which at least a portion of said gas flow (F) is passed to change the temperature of said gas flow (F).

Apparatus according to claim 7, characterized in that said at least one gas flow (F) is arranged to cool 10 optoelectronic semiconductor components (DL).

Apparatus according to claim 7 or 8, characterized in that said at least one gas flow (F) is arranged to heat an optoelectronic semiconductor component (DL). 15

Apparatus according to any one of claims 7 to 9, characterized in that said apparatus further comprises means for controlling the cooling and / or heating of the optoelectronic semiconductor component (DL) by closed-loop feedback. 20

Apparatus according to any one of claims 7 to 10, characterized in that the optoelectronic semiconductor component (DL) is: a device which emits electromagnetic radiation and comprises at least one radiator. 25

Apparatus according to one of the preceding claims 7 to 10, characterized in that the optoelectronic semiconductor component (DL) is a device which detects electromagnetic radiation and comprises at least one sensor element, for example an image element. 30

Apparatus according to claim 11, characterized in that the \ optoelectronic semiconductor component (DL) is a diode laser which • ;;; comprising one or more radiators. *: · *: 35

Apparatus according to claim 13, characterized in that it comprises means for adjusting the temperature of the active laser medium of the diode laser (DL) 115872 by closed-loop feedback to excite the wavelength of the laser radiation.

Apparatus according to any one of claims 7 to 14, characterized in that it comprises at least a primary cooling element (11) arranged in direct thermal contact with an optoelectronic semiconductor component (10) and a secondary cooling element (13) arranged to heat exchange with the primary cooling element (11). 10

Apparatus according to claim 15, characterized in that it further comprises a thermoelectric cooler (12) arranged in a heat-conductive manner between said primary (11) and secondary (13) cooling members. 15 * · I · f · * · * »· 1 1 * 1 · • · t» I * 1 t • t * I »• · * 1 · I * I • · I 1 1 MI 1 · * 1> * 115872