JP4035352B2 - ダイオードレーザー素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、受動的冷却性のヒートシンクの取り付け面上に取り付けられるダイオードレーザーバーと、ダイオードレーザーバーのためのカバー要素とを備え、ヒートシンクとカバー要素とが導電性があるように構成され、且つ構成要素固定用の繰り抜き部を有しているダイオードレーザー素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高出力ダイオードレーザーバーを受動的に冷却するため、通常は熱伝導により冷却効果を生じさせる塊状のヒートシンクが使用されるが、必要な場合には補助的に受動的対流式気化冷却用のヒートパイプ構造が設けられる場合もある。
【０００３】
ヒートシンクは、機械的な保持という課題のほかにも、とりわけ、その表面の取り付け面上に取りつけられた高出力ダイオードレーザーバーを冷却するという課題をも担っている。この場合重要なことは、冷却効率を向上させるために十分な熱拡散が保証されているかどうか、および、このために設けられる処置がダイオードレーザー素子の他の必要条件と調和しているかどうかである。これは特に必要に応じて使用されるコリメーター光学系に関わるものであるが、ますます大きくなっている電気出力にも関わっている。スペース上の理由から、ヒートシンクのサイズは、熱的な理由からパワーロスを熱拡散させるために必要な量によって決定されている必要がある。このことは、特に、ヒートシンク表面においてダイオードレーザーバーの放射方向に対し垂直な方向に側部へ膨張する場合に該当する。しかしこの場合、ダイオードレーザーバーに対するヒートシンクの熱的対称性が保証されるよう注意しなければならない。というのは、ダイオードレーザーバーは作動中熱い領域と冷たい領域とを有するからである。
【０００４】
ほとんどの場合、導電材料からなるヒートシンクが導電基板上に固定され、導電基板を介して給電が行われる。この場合ヒートシンクはアノード（p接点）として構成されているのに対し、ｎ接点は高出力ダイオードレーザーバーのカバーを介して形成される。複数のダイオードレーザー素子を同時に作動させる必要がある場合には、この種の構成概念には問題がある。というのは、並列接続のようにネット機器および電気配線に対し高度な要求をしない電気直列接続が有利だからである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、熱拡散の点で改善された受動的冷却性ヒートシンクであって、この種のヒートシンクを使用するダイオードレーザー素子が熱的に対称性があり、構成がコンパクトであり、普遍的に使用でき、特に光線の案内と電気回路技術に関し普遍的に使用できるように前記ヒートシンクを構成することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明によれば、ヒートシンクが、取り付け面をすべてのエッジにおいて取り囲んでいる素材的に閉じた熱拡散領域を有し、この熱拡散領域の外側に位置するように構成要素固定用の繰り抜き部がヒートシンクに形成されていることによって解決される。
【０００７】
このように熱的対称性が保証されていることにより、ダイオードレーザーバー内部に均一な温度分布が形成される。
支障のない光線伝播のために傾斜面を用いる。傾斜面は、ヒートシンクの、ダイオードレーザーバーの放射方向において取り付け面の上流側に支持されている一部分に設けられ、その傾斜角はダイオードレーザーバーの放射角度に適合している。
【０００８】
光学的結像素子（たとえばコリメーター光学系）を受容するため、ヒートシンクが取り付け面と傾斜面の間に段部を有し、段部が取り付け面に対し平行に延びる光学結像素子用の受容面を備えているのが有利である。
【０００９】
コリメーター光学系を越えて突出しているヒートシンクの突出部は補助的に好都合に作用する。というのは、この突出部はコリメーター光学系とダイオードレーザーバーの両者を機械的作用から保護するからである。
【００１０】
取り付け面には、少なくとも片側に、ダイオードレーザーバーの放射方向に対し垂直な方向で、温度センサを受容するための穴が隣接している。この穴は熱拡散領域に境を接している。
【００１１】
温度センサをダイオードレーザーバーの両側に対称配置し、且つ熱拡散領域に近接させて位置付けるのが有利である。このようにすると、熱拡散領域を阻害することなく、ダイオードレーザーバー下方での実際の温度状況にほぼ等しい測定値検出が保証され、この測定値検出から、温度測定値が互いに異なっている場合に、対称測定構成によりダイオードレーザーバーの故障または欠陥を推察することができる。
【００１２】
このため、温度センサを受容するために用いられる一対の穴のそれぞれの穴が、ダイオードレーザーバーの放射方向に対し垂直な方向で熱拡散領域に境を接するように取り付け面に隣接し、且つ熱拡散領域に境を接しているのが好ましい。この場合、両穴のそれぞれと取り付け面との距離は等しいのが好ましい。
【００１３】
電気接点を受容するため、ダイオードレーザーバーの放射方向とは逆の側に偏心してヒートシンクとカバー要素とに穴が形成されているのが有利である。
これにより、複数のダイオードレーザー素子の並列接続が容易になるとともに、カバー要素が、ともにヒートシンクに対する結合面として適した基面と覆い面とを有していれば、適用範囲が広くなる。これにより、ヒートシンクとカバー要素とに偏心して形成された穴は、結合面の選択に応じて、ダイオードレーザーバーの放射方向に対し垂直な方向で互いに並設されるか、或いは同軸に重設されることができる。
【００１４】
さらに、電気接点を背後に配置することにより、電気配線をレーザー放射による損傷から保護できるばかりでなく、熱拡散を支障なく行なってダイオードレーザー素子をコンパクトに維持できる。
【００１５】
電気接点を受容するための穴を径の異なるねじ穴として構成し、ネットケーブルの磁極片をねじで固定できるようにすれば、非常に大きな電流（１００Ａ以下）をダイオードレーザー素子に供給することができる。穴の径が異なれば、混同を阻止できるので、作動安定性を向上させる。
【００１６】
本発明によるダイオードレーザー素子は特に無電位構成に適しており、これは単一のダイオードレーザー素子に対しても、また複数のダイオードレーザー素子の並列接続に対しても言える。というのは、ヒートシンクが互いに分離された給電領域と放熱領域とを有しているからである。ヒートシンクはその基面が電気的に絶縁されて冷却プレート上に固定できるのに対し、１つの電気接点（ｐ接点）のために設けられるねじ接続部は、実質的にカバー要素のねじ接続部と同様に位置決めされている。
【００１７】
ヒートシンクとカバー要素とが互いに電気的に短絡可能であれば有利である。これはたとえば取り外し可能なねじ結合により実現可能である。
素材的に閉じた熱拡散領域は単一の材料からなっていても、異なる材料からなっていてもよい。後者の場合、素材的に閉じた熱拡散領域が少なくとも１つのグラファイトコアを有し、グラファイトコアが他のヒートシンク材によってカプセリングされているのが特に有利である。
【００１８】
取り付け面が、ヒートシンクの素材の一部分として設けられる金属化基板上に被着され、金属化基板の熱伝導率が金属の熱伝導率よりも大きいのも有利である。基板は複数の基板部分に分割されていてもよい。
【００１９】
ヒートシンク材として銅・タングステンまたは銅・モリブデンをカプセリングされたグラファイトコアとともに使用し、取り付け面が、ヒートシンクの素材の一部分として設けられる単結晶炭化珪素からなる金属化基板上に被着されていると、特に有利なヒートシンクを構成できる。
【００２０】
最後に、カバー要素またはヒートシンクは、測定値検出、測定値変換、および場合によっては測定値記憶の用をも成す電子評価装置のための担持体として用いられる。これにより、不必要に長い伝導経路が避けられる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明する。
図１によれば、塊状の銅ブロックから成っているヒートシンク１は、ダイオードレーザーバー２を受容するため取り付け面３を有している。取り付け面３は、ダイオードレーザーバー２の放射方向Eに設置したヒートシンク１の境界部に対し後方へずれた位置にある。これによって形成される突出部４は傾斜面５を備え、その傾斜角はダイオードレーザーバー２の放射角に整合しており、開放された放射範囲内での支障ない放射が可能になっている。傾斜面５の傾斜角は、取り付け面３に対し３０゜ないし６０゜の範囲内にある。
【００２２】
熱拡散を改善するため、取り付け面３は、すべてのエッジにおいて、素材的に閉じた熱拡散用領域により取り囲まれている。突出部４は、光線伝播方向の１つの成分において放散を生じさせるので、特に効果的である。ヒートシンク１のコヒーレントな材料構造が影響を受けるすべての障害、たとえば穴として形成された素子（電気接点）固定用繰り抜き部、および結合要素、センサ要素に対する障害はこの領域外にあり、即ち取り付け面３の下方において全体をピラミッド状構造部として構成され、ヒートシンク１のエッジに対しピラミッド体の側面が有利には４５゜の角度で傾斜して拡がっている領域の外側にある。
【００２３】
このような処置により、特に、ヒートシンク１を図示していない冷却用基板に固定するための穴６,７と、温度センサ（図３と図４において１０と１１の符号を付した）を受容するための一対の袋穴８,９とが得られる。温度センサ１０と１１は蓄熱領域に特に密接しており、温度測定をダイオードレーザーバー２の近接領域に集中して行なうようになっている。このようにして、制御回路（図示せず）に効果的な制御のための適切な測定値を供給することができる。
【００２４】
温度センサ１０,１１はまず測定値としてアナログ電圧値を送る。このアナログ電圧値はたとえば抵抗測定値に依拠することができる。温度センサ１０,１１から電子評価装置までの距離が長いと、測定結果にエラーが生じることがあるので、本発明によるダイオードレーザー装置によれば、電子評価装置を一緒に収容することができる。これを図４では破線で示唆したが、このため、カバー要素１４は測定値検出、測定値変換、場合によっては測定値記憶のためにも使用できる電子評価装置ＡＥを担持する担持体として構成されている。
【００２５】
他の実施形態によれば、電子評価装置ＡＥを温度センサ１０と１１とともにヒートシンク１に固定してもよい。
熱拡散用の領域の外側には、さらに他の穴１２,１３が銅ブロックに設けたねじ穴としてカバー要素１４を固定するために形成されている。
【００２６】
本発明によるヒートシンクにより無電位(potentialfrei)構成を実現する必要がある場合は、図示していない基板に対する接続部を電気的に絶縁して構成する必要がある。これはたとえばヒートシンク１の非導電性基面層により行うことができる。この場合電流の供給にはねじ穴１５を使用し、ねじ穴１５を介してねじ結合によりネットケーブルの磁極片を固定する。ねじ穴１５は、ダイオードレーザーバー２の放射方向Eとは逆の側で偏心して位置するように、且つ穴１２,１３のうち一方の穴（ここでは穴１２）に隣接するように穿設されている。ヒートシンク１により製造されたダイオードレーザー素子のコンパクトな構成が有用であるのは、ねじ穴１５が設けられている半部分でのみヒートシンク１が両穴のうち一方の穴１２または１３の向こう側へ放射方向Eとは逆の方向に膨張するような場合である。
【００２７】
他の実施形態（図２）では、ダイオードレーザーバー２の上流側の光路内にコリメーター光学系が特別な整合処置を要することなく簡単に設けられている。このため、突出部は取り付け面３と傾斜面５との間に段部１６を有し、段部１６は取り付け面３に対し平行に延びる受容面１７を備えている。この場合、段部１６の高さはコリメーター光学系のサイズに適合している。この実施形態では、段部１６の高さは図示していないコリメーター光学系のレンズ径の半分に相当している。
【００２８】
図３と図４に図示したダイオードレーザー素子は、それぞれ図１または図２のヒートシンクを使用する。
導電性があるように構成されたダイオードレーザーバー２用のカバー要素１４は、ヒートシンク１と同様に、ダイオードレーザーバー２の位置とは逆の側で偏心して配置される、ネットケーブルねじ接続部としてのねじ穴１８を有している。ねじ穴１８の径は、混同を防止するため、ねじ穴１５の径よりも小さくなるように設計されている。ねじ穴１２と１３に対応してカバー要素１４には穴１９,２０が穿設され、これらの穴１９,２０を通じて、ヒートシンク１をカバー要素１４と結合させるための固定ねじ２１,２２を案内することができる。絶縁スリーブ２３,２４は、結合された構成要素間の電気接触を阻止するためのものである。
【００２９】
カバー要素１４も、ねじ穴１８が設けられている半部分だけが両穴１９,２０のうちの一方の穴１９または２０の向こう側へダイオードレーザーバー２とは逆の方向に膨張する。しかし、熱的に重要な領域は対称構造を維持する。カバー要素１４の基面２５と覆い面２６とはその形態によりヒートシンク１に対する接続面として適しているので、この接続面を選定することによりダイオードレーザー素子を種々の使用目的に整合させることができる。
【００３０】
取り付け面３のp側に蝋付けされているダイオードレーザーバー２には、ｎ側に導電性の板片２７が固定されている。板片２７は引張り緩和のため絶縁小板２８と結合され、且つ上部中間小板２９を介して機械的に連結解除されてカバー要素１４と電気接触している。絶縁小板２８は、ヒートシンク１とカバー要素１４とを電気的に分離するために用いる。
【００３１】
短絡ねじ３０（このために穴３１とねじ穴３２とが穴１９と２０または１２と１３の間に穿設されている）は、ダイオードレーザー素子が電気的に接続されていない場合にダイオードレーザーバー２を保護するために用いられ、作動開始時に除去される。
【００３２】
ヒートシンクのために有利に使用される銅の代わりに他の材料でもよく、たとえば熱膨張係数がＧａＡｓの熱膨張係数に対応している銅・タングステン、或いは銅・モリブデンでもよい。
【００３３】
本発明によるダイオードレーザー素子の特に有利な実施形態によれば、熱拡散領域においてグラファイトコア３３がヒートシンク１に挿入されている（図２）。グラファイトは２つの空間方向にダイヤモンドの熱伝導性に対応する熱伝導性を有しているので、グラファイトコア３３の方向を適宜調整すれば、少なくとも１つの空間方向において熱拡散範囲をさらに拡大させることができる。グラファイトコア３３は、強度が非常に小さいため、ヒートシンク１内部において残りのヒートシンク材料でカプセリングされている必要がある。このようにすると、この実施形態では２つの材料から成っている熱拡散領域は素材的に閉じたままであり、一種類の材料から構成されている場合と同じ程度に凹凸がない。熱拡散領域に凹凸があると、熱拡散にとって特に具合が悪い。取り付け面３をそのすべてのエッジにおいて取り囲んでいる素材的に閉じた領域は、カプセリングにとって特に有利であることがわかっている。というのは、このようにしてグラファイトコア３３を完全に取り付け面３の下方に設置できるからである。このような理由から、図２において熱拡散領域にカプセリングされているグラファイトコア３３の厚さは、突出部４の領域におけるヒートシンク１の厚さ（ここでは基面３４から受容面１７までの距離）を上回っていない。
【００３４】
熱拡散を補助的に改善するため、取り付け面３を金属化表面として誘電性基板の上に取り付けてもよい。この場合、誘電性基板の熱伝導率は金属材料の熱伝動率を上回っている。金属化表面としてはたとえば半透明の立方晶窒化硼素、単結晶炭化珪素、ＣＶＤダイヤモンド等である。基板（素材一体結合によりヒートシンク１の素材部分であり、特に図１、図２、図４において取り付け面３下方の隆起部として認められる）を、互いに並設される複数の基板部分から構成し、放射方向Eでの熱拡散を改善するために突出部４のほうへ膨出させてもよい。
【００３５】
ヒートシンク１に対する得に有利な構成は、グラファイトコア３３を、残りのヒートシンクカプセリング材としての銅・タングステンまたは銅・モリブデンおよび単結晶炭化珪素の形態での誘電性金属化基板との組み合わせによって得られる。なぜなら、炭化珪素の膨張係数と残りのヒートシンク材の膨張係数とは、ＧａＡｓからなっているダイオードレーザーバー２に類似しているからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱拡散を改善したヒートシンクで、コリメーター手段なしで作動するヒートシンクを示す図である。
【図２】熱拡散を改善したヒートシンクで、コリメーター光学系の取り付けが簡単なヒートシンクを示す図である。
【図３】熱拡散を改善したヒートシンクを使用したダイオードレーザー素子の分解斜視図である。
【図４】ダイオードレーザー素子を組み立て状態で示した図である。
【符号の説明】
１ ヒートシンク
２ ダイオードレーザーバー
３ 取り付け面
４ 突出部
５ 傾斜面
８,９ 袋穴
１０，１１ 温度センサ
１４ カバー要素
１５ ねじ穴
１６ 段部
１７ 受容面
１８ ねじ穴
２５ 基面
２６ 覆い面
３３ グラファイトコア
ＡＥ 電子評価装置
Ｅ 放射方向

Claims (19)

1. 受動的冷却性のヒートシンクの取り付け面上に取り付けられるダイオードレーザーバーと、ダイオードレーザーバーのためのカバー要素とを備え、ヒートシンクとカバー要素とが導電性があるように構成され、且つ構成要素固定用の繰り抜き部を有しているダイオードレーザー素子において、
   ヒートシンク（１）が、取り付け面（３）をすべてのエッジにおいて取り囲んでいる素材的に閉じた熱拡散領域を有し、この熱拡散領域の外側に位置するように構成要素固定用の繰り抜き部がヒートシンク（１）に形成されていることを特徴とするダイオードレーザー素子。
2. ヒートシンク（１）の、ダイオードレーザーバー（２）の放射方向において取り付け面（３）の上流側に支持されている一部分（４）が、傾斜面（５）を有し、傾斜面（５）の傾斜角が支障のない光線伝播のためのダイオードレーザーバー（２）の放射角度に適合していることを特徴とする、請求項１に記載のダイオードレーザー素子。
3. ヒートシンク（１）が取り付け面（３）と傾斜面（５）の間に段部（１６）を有し、段部（１６）が取り付け面（３）に対し平行に延びる光学結像素子用の受容面（１７）を備えていることを特徴とする、請求項２に記載のダイオードレーザー素子。
4. ダイオードレーザーバー（２）の放射方向に対し垂直な方向で取り付け面（３）に少なくとも片側で隣接するように且つ熱拡散領域に境を接するように、温度センサ（１０,１１）を受容するための穴（８，９）が設けられていることを特徴とする、請求項２または３に記載のダイオードレーザー素子。
5. 温度センサ（１０,１１）を受容するために用いられる一対の穴（８,９）のそれぞれの穴が、ダイオードレーザーバー（２）の放射方向に対し垂直な方向で熱拡散領域に境を接するように取り付け面（３）に隣接していることを特徴とする、請求項４に記載のダイオードレーザー素子。
6. 温度センサ（１０）を受容するための穴（８）と取り付け面（３）との間隔と、温度センサ（１１）を受容するための穴（９）と取り付け面（３）との間隔とが等しいことを特徴とする、請求項５に記載のダイオードレーザー素子。
7. 電気接点を受容するための穴（１５,１８）が、ダイオードレーザーバー（２）の放射方向（E）とは逆の側に偏心してヒートシンク（１）とカバー要素（１４）とに形成されていることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一つに記載のダイオードレーザー素子。
8. カバー要素（１４）が、ともにヒートシンク（１）に対する結合面として適した基面（２５）と覆い面（２６）とを有し、結合面の選択に応じて、ヒートシンク（１）とカバー要素（１４）とに偏心して形成された穴（１５,１８）がダイオードレーザーバー（２）の放射方向（E）に対し垂直な方向で互いに並設されるか、或いは同軸に重設されることを特徴とする、請求項７に記載のダイオードレーザー素子。
9. 電気接点を受容するための穴（１５,１８）が、径の異なるねじ穴として構成されていることを特徴とする、請求項８に記載のダイオードレーザー素子。
10. ヒートシンク（１）がその下面に電気絶縁層を有していることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一つに記載のダイオードレーザー素子。
11. ヒートシンク（１）とカバー要素（１４）とが互いに電気的に短絡可能であることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか一つに記載のダイオードレーザー素子。
12. 素材的に閉じた熱拡散領域が単一の材料からなっていることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか一つに記載のダイオードレーザー素子。
13. 素材的に閉じた熱拡散領域が種々の材料からなっていることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか一つに記載のダイオードレーザー素子。
14. 素材的に閉じた熱拡散領域が少なくとも１つのグラファイトコア（３３）を有し、グラファイトコア（３３）が他のヒートシンク材によってカプセリングされていることを特徴とする、請求項１３に記載のダイオードレーザー素子。
15. 取り付け面（３）が、ヒートシンク（１）の素材の一部分として設けられる金属化基板上に被着され、金属化基板の熱伝導率が金属の熱伝導率よりも大きいことを特徴とする、請求項１から１４までのいずれか一つに記載のダイオードレーザー素子。
16. 基板が、互いに並設される複数の基板部分からなっていることを特徴とする、請求項１５に記載のダイオードレーザー素子。
17. 他のヒートシンク材として銅・タングステンまたは銅・モリブデンをカプセリングされたグラファイトコア（３３）とともに使用し、取り付け面（３）が、ヒートシンク（１）の素材の一部分として設けられる単結晶炭化珪素からなる金属化基板上に被着されていることを特徴とする、請求項１４に記載のダイオードレーザー素子。
18. カバー要素（１４）が、測定値検出、測定値変換、および場合によっては測定値記憶の用をも成す電子評価装置（ＡＥ）のための担持体として用いられることを特徴とする、請求項１から１７までのいずれか一つに記載のダイオードレーザー素子。
19. ヒートシンク（１）が、測定値検出、測定値変換、および場合によっては測定値記憶の用をも成す電子評価装置（ＡＥ）のための担持体として用いられることを特徴とする、請求項１から１７までのいずれか一つに記載のダイオードレーザー素子。

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