WO2022175031A1 - Aufsatz für ein eine laserdiode aufweisendes lasermodul sowie verfahren zur herstellung des lasermoduls - Google Patents

Aufsatz für ein eine laserdiode aufweisendes lasermodul sowie verfahren zur herstellung des lasermoduls Download PDF

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WO2022175031A1
WO2022175031A1 PCT/EP2022/051590 EP2022051590W WO2022175031A1 WO 2022175031 A1 WO2022175031 A1 WO 2022175031A1 EP 2022051590 W EP2022051590 W EP 2022051590W WO 2022175031 A1 WO2022175031 A1 WO 2022175031A1
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WO
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support ring
sleeve
attachment
laser
laser module
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PCT/EP2022/051590
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English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Rittner
Michael Beck
Original Assignee
Osram Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osram Gmbh filed Critical Osram Gmbh
Publication of WO2022175031A1 publication Critical patent/WO2022175031A1/de

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings

Definitions

  • Various exemplary embodiments relate to an attachment for a laser module having a laser diode, and also to the laser module itself. In particular, they also relate to laser modules for use in vehicles. Further aspects relate to a method for producing a corresponding laser module.
  • laser modules can also be used in a variety of ways, especially in motor vehicles, construction vehicles, spacecraft, airplanes or ships, etc.
  • the very high luminance associated with such laser technology allows, for example, further miniaturization in the field of vehicle lighting (e.g. headlights, etc.).
  • vehicle lighting e.g. headlights, etc.
  • LIDAR distance and speed measurement
  • communication between road users through optical data transmission.
  • augmented reality augmented reality
  • two- or three-dimensional information is displayed to the driver in his field of vision through a window of the vehicle, for example by means of a head-up display, or this information is superimposed on the field of vision with objects detected therein.
  • a holographic optical element integrated into the window (or into a transparent plate placed in front of it), which - also referred to as a so-called combiner - is irradiated in a suitable manner by an imaging matrix with a light wave front, with the Exploiting the effects of the im holographic optical element implemented hologram highly coherent light is required, which can therefore preferably originate from one or more laser modules.
  • HOE holographic optical element
  • a laser diode is often used as a standard component, which consists of the actual laser diode, namely a laser chip, a substrate carrying the laser chip, electrical lines with optional electronic components such as a photodiode, two or three contact lugs or pins, and is formed from a protective housing with a decoupling window for these components.
  • the laser chip is usually an edge emitter.
  • the housings with the base made of substrate and contact pins are standardized in terms of size, e.g. they can be TO 38, TO 56 or TO 90 housings, etc.
  • "laser diode” can also refer to the entire module with housing and base and not just the actual laser chip.
  • Such laser diodes are regularly provided with sleeve-shaped attachments, so-called submounts, in which, for example, an optical element can be installed with which the exiting laser beam is "processed".
  • an optical element can be installed with which the exiting laser beam is "processed".
  • a typical example is a collimating lens, which is used to collimate the laser beam emerging from the window of the housing and thus make it usable for the specific further use.
  • a laser-adjustable mount for optical components in a laser arrangement in which double-bridge actuators that can be activated from the outside by laser irradiation are provided in a sleeve-like adjustment element, using which an adjustment plane of the at one End face can be displaced in the sleeve held by a supporting element optical element.
  • a sleeve-like adjustment device in which a one-piece component is formed by cutouts made therein to form a mount for a lens, which is formed by several differently inclined holding arms with the cylindrical sleeve sections on both sides, referred to as support rings in the publication associated with the version.
  • the annular mount also has a slit so that it can accommodate the lens by expansion and under tension. Targeted heating of the holder arms allows the lens held in the mount to be positioned in its alignment.
  • such requirements can be taken into account by proposing an attachment for a laser module having a laser diode, which is composed of at least a sleeve, a first support ring and a second support ring.
  • the sleeve has a proximal end portion and a distal end portion, and a central axis extending from the proximal end portion to the distal end portion.
  • the proximal end section is set up to accommodate at least one laser diode.
  • the term sleeve is broad here. It can be a part-tubular, cylindrical element, but it can also have different shapes. According to exemplary embodiments, a flange-like extension is provided at the proximal end.
  • the shape also does not have to be cylindrical, but can also have angular cross-sectional profiles.
  • the sleeve does not have to be closed all around, but can have slits or even be composed of several parts.
  • the central axis can coincide with an optical axis of the laser beam emitted by the laser diode or at least be parallel to it.
  • the sleeve comprises a number of flexible elements which extend in a substantially axial direction of the sleeve, ie substantially parallel to the central axis.
  • the first support ring accommodates a first optical element held by it.
  • the first support ring is secured in the sleeve adjacent the proximal end portion.
  • the first optical element held by the support ring can be in a predetermined physical-spatial relationship with a laser diode accommodated on or in the proximal end section, so that the laser beam emitted by such a laser diode is modified (i.e. deflected) in the manner intended by the first optical element , deflected, reflected, diffracted, scattered, filtered, partially absorbed, etc.).
  • the second support ring accommodates a second optical element held by it.
  • the second support ring can be positioned in such a way that the second optical element it holds is arranged on the side of the first optical element opposite the laser diode.
  • the optical axis can then extend from the laser diode at the proximal end section through the sleeve through the first support ring and through the first optical element in the direction of the distal end section to the second support ring and through the second optical element.
  • the second support ring is held by the flexible elements.
  • Each of the flexible elements involved which holds the second support ring, is mechanically pretensioned in the radial direction towards the central axis. In particular, it exerts a prestressing force F b on the second support ring held between the flexible elements.
  • this prestressing force can be realized, for example, by the flexible elements being mechanically bent parts of the sleeve or parts attached to it in advance towards the central axis, which are expanded outwards when the support ring is held by it, for example because it has a larger diameter than by the bent parts is available.
  • the prestressing force can also be achieved through the use of shape memory materials and the influence of temperatures suitable for this, or that piezoelectric materials are used. However, the workability to be described below by laser welding etc. restricts these materials somewhat.
  • the described structure of an attachment for a laser module achieves an advantage in that the second support ring is held in a non-positive manner but can still be moved prior to being fixed and can therefore be aligned in six degrees of freedom.
  • the alignment of the support ring relative to the optical axis or relative to the center axis is controlled by the effect intended to be achieved by the second optical element. This alignment can be done by an external device.
  • Another associated advantage is that precisely because the flexible elements of the sleeve exert a prestressing force Fb on the second support ring, then no (otherwise hardly avoiding minimum) air gap between the second support ring and the flexible elements.
  • Welding without additional material can therefore be carried out subsequently for the (final) fixation, in particular laser or edge welding, with e.g. the material of the flexible elements themselves being used for the material connection.
  • This offers the advantage that distortions are avoided after cooling and, for example, a once-determined orientation (e.g. a once-determined tilt angle) for the second optical element can be retained as it was just previously determined, e.g. by measurement.
  • a minimal distortion can be achieved in particular by the simultaneous welding of all contact points of a support ring.
  • first and/or the second support ring also serve as mounts for the relevant optical elements.
  • spring elements can be provided in connection with the respective support ring or as a separate component, which hold the optical elements in one or the other support ring and, if necessary, also fix them.
  • the support rings can be ring-shaped in order to expose the respective optical element to the laser beam via an inner opening in order to achieve the intended effect.
  • the ring itself need not necessarily be closed. It can also be opened by slits or made of several parts.
  • the first and foremost the second support ring is in one piece and closed in order to maintain the best possible freedom from distortion.
  • the flexible elements can assume any geometric shape and dimensions, as long as the required properties of the inwardly directed biasing force and the advantages that can be achieved thereby remain as described.
  • the second support ring is attached to each of the flexible elements involved, for example by laser welding.
  • the multi-point fixation creates a stable and vibration-resistant attachment with permanent optical properties.
  • the flexible elements are designed in one piece with the sleeve.
  • the flexible elements can be produced by simple laser cutting and, after fixing, have maximum mechanical stability and temperature resistance.
  • the flexible elements are formed on the proximal end section of the sleeve by cutting out sections of the sleeve so that although they protrude freely, they do not extend beyond a left-over edge section at the end of the rest of the sleeve held by them second support ring with the second optical element better protected against mechanical damage caused by contact with external objects.
  • the flexible elements are designed as webs, which each have a first end connected to the sleeve and an opposite free or open second end. In the vicinity of the free second end, the webs each make contact with the second support ring, press on it and are attached to it.
  • a mechanical, inwardly directed prestressing force can be implemented in a simple manner, for example by bending sleeve elements inward.
  • webs can be easily cut by cutting the surrounding sleeve material with the laser. Effort and costs are reduced as a result.
  • the flexible elements have a length of no less than 4 mm and/or no more than 20 mm.
  • the lengths also depend on the dimensions of the sleeve, the wall thickness and web widths, as well as the material in order to achieve the ideal flexibility in each case.
  • the specified length range has proven to be quite advantageous.
  • the surface quality of the webs on the outside and the support ring on the inside is also important.
  • the lowest possible surface roughness has a positive effect on a distortion-free connection of the two parts.
  • the flexible elements have an essentially constant width over their length in a circumferential direction of the sleeve around the central axis of no less than 1 mm and/or no more than 3 mm. This range of values also provides satisfactory results with regard to the desired bending strength or prestressing force when the respective flexible element is pressed outwards by the support ring.
  • the flexible elements have a wall thickness in the radial direction towards the central axis of no less than 0.2 mm and/or no more than 1 mm, preferably no more than 0.5 mm. This range of values also provides satisfactory results with regard to the desired bending strength or prestressing force when the respective flexible element is pressed outwards by the support ring.
  • the flexible elements are attached to the second support ring by a material connection, in particular laser spot welding, resistance welding or soldering.
  • a material connection in particular laser spot welding, resistance welding or soldering.
  • laser spot welding offers the special advantage that no additives are introduced that lead to distortions.
  • they can flexible elements can also be fastened by a non-positive connection, in particular by screws or rivets.
  • the first support ring is attached to the sleeve by arc welding, in particular micro-tungsten inert gas welding or plasma welding, or resistance welding.
  • arc welding in particular micro-tungsten inert gas welding or plasma welding, or resistance welding.
  • the welding methods provided for the first support ring can also be used here, in particular when, according to an alternative embodiment, the first support ring itself can also be attached to the same flexible elements (only closer to their proximal end), or to separate, similarly constructed flexible elements, which can be cut out in the sleeve, for example.
  • Resistance welding also a duration of 1 - 10 ms, but more energy is converted because the electrodes are also heated during the process. A very roughly estimated factor of 5 converted energy results.
  • Soldering Factor of 10 or more because filler material needs to be melted and time needed for wetting. -> this usually causes the entire component to become warm.
  • the number of flexible elements is three or more.
  • the number of flexible elements is not more than six, in particular is no more than four.
  • Three first elements have proven to be particularly preferred.
  • the prestressing force Fb directed in the radial direction inwards towards the central axis is set up in such a way that the flexible elements are no more than 0.4 mm and/or no less than 0.4 mm and/or no less than an inner wall of the sleeve than 0.2 mm can bend elastically inwards if no support ring would counteract this on the inside.
  • This prestressing force can be realized in that the flexible elements have previously been plastically bent or deformed by a precise distance inwards.
  • the first optical element is a collimating lens and the second optical element can be a wavelength-selective reflector for constructing an external cavity or a diode laser with an external resonator in relation to the laser diode to be accommodated in the attachment.
  • the wavelength-selective reflector can be a volume Bragg grating (VBG).
  • VBG volume Bragg grating
  • a particularly narrow-band emission spectrum can be achieved by the external resonator, since the volume Bragg grating selectively throws back or reflects only rays of a specific wavelength into the cavity (so-called wavelength-locking).
  • the present embodiment with distortion-free alignment offers the particular advantage of a particularly precise and temperature-stable alignment (with six degrees of freedom) of the second support ring carrying the VBG grating with particularly narrow-band emission.
  • the second optical element can fundamentally also be designed differently, for example as a further collimation lens (e.g. FAC as the first and SAC as the second lens), as a multi-lens array (MLA), as a diffractive optical element (DOE) or as a holographic optical element (HOE), or as a light converter (e.g. phosphor plates).
  • FAC further collimation lens
  • MMA multi-lens array
  • DOE diffractive optical element
  • HOE holographic optical element
  • a light converter e.g. phosphor plates
  • a wavelength-sensitive element e.g., VBG grating
  • the sleeve is designed to accommodate a laser diode that emits light in the visual, infrared or ultraviolet wavelength range, in particular with a TO 38, TO 56 or TO 90 housing.
  • a laser diode that emits light in the visual, infrared or ultraviolet wavelength range, in particular with a TO 38, TO 56 or TO 90 housing.
  • an attachment for a laser module also provides for the accommodation of a laser diode without a housing (e.g. chip-on-board, COB) or that the sleeve of the attachment simultaneously forms the housing of the laser diode with a corresponding base.
  • a housing e.g. chip-on-board, COB
  • a further aspect provides for the combination of an attachment as described above with the at least one laser diode to form a laser module.
  • the laser diode can have, for example, an edge emitter as the actual semiconductor chip, a photodiode suitably connected thereto for luminous flux control, a substrate on which the semiconductor chip and the photodiode are arranged, contact connections (pins) and a housing.
  • the attachment itself can also form the housing.
  • the sleeve of the essay can only or be formed almost exclusively from flexible elements that extend from a base or flange of the attachment or the laser diode in a direction parallel to the central axis.
  • VCSELs Vertical Cavity Surface Emitting Lasers
  • HCSELs Horizontal Cavity Surface Emitting Lasers
  • Another aspect provides a method for manufacturing a laser module, comprising the steps:
  • VBG grating volume Bragg grating
  • the proposed method uses a sleeve and two support rings to create a diode laser with an external cavity diode laser.
  • the sleeve and the support rings can be set up as described in detail above.
  • the line width of the radiation emitted by the laser diode is in the range of a few nanometers, eg 2 nm.
  • the central wavelength, or the wavelength at which the maximum lies is temperature- and current-dependent. With a wavelength-selective feedback through the VBG grating, however, the resulting wavelength drift can be significantly reduced and stabilized, namely if primarily only light of a specific wavelength is fed back.
  • the beam emerging from the laser diode is first collimated by the collimation lens (first optical element) and hits the VBG grating.
  • the collimation lens first optical element
  • the reflectivity of the grating can be between 25% and 35%.
  • the rear facet in the laser diode forms the resonator together with the VBG grating with the collimating lens in between.
  • the bandwidth of the emission spectrum can be optimized or reduced by rotating and tilting the VBG grating using an external adjustment device (6 degrees of freedom), namely by initially only holding the corresponding second support ring by the sleeve and measuring the bandwidth of the emission spectrum with the laser diode switched on adjusted using a spectrometer, and subsequently attached to the sleeve.
  • This sets the appropriate wavelength (wavelength locking).
  • those longitudinal modes that are only generated in the comparatively short crystal are selectively switched off because they are not fed back by the VBG lattice.
  • the positioning and alignment of the first support ring and/or the second support ring can be carried out by a hexapod (also generally: parallel manipulator). This advantageously allows the support rings to be adjusted in 6 degrees of freedom.
  • the described holding of the second support ring can be accomplished by gap-free, frictionally engaged holding of the second support ring, namely by a number of flexible elements of the sleeve pretensioned in the radial direction inwards toward a central axis of the sleeve. This can be done during and after positioning and alignment but before attaching the second support ring.
  • the second support ring can be attached to the flexible elements of the sleeve by welding without additional material, in particular laser welding.
  • additional material in particular laser welding.
  • the first support ring holding the collimation lens as the first optical element can be positioned and aligned in the attachment when the laser diode is switched on as a function of a signal which is correlated with a light emission of the laser diode.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a laser module with an attachment (submount) according to an exemplary embodiment
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the laser module of FIG. 1 in a plane extending through the mounting holes of the flange of FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a plan view of the laser module from FIG. 1 ;
  • Fig. 4 is a cross-sectional view of the laser module of Fig. 1 but in a plane extending (kinked) through line B-X-B in Fig. 3;
  • FIG. 5 shows a perspective view of only one sleeve of the attachment from FIG. 1 ;
  • Figure 6 is a cross-sectional view of the sleeve of Figure 5; 7 is a perspective view of a second support ring of the attachment according to the embodiment;
  • FIG. 8 shows a plan view of the second support ring from FIG. 7;
  • FIG. 9 shows a cross section through the support ring from FIG. 7;
  • FIG. 10 shows a further cross section through the support ring from FIG. 7 in a plane perpendicular to FIG.
  • FIGS. Figures 1 to 4 show the laser module 1 as a whole, while in Figures 5 and 6 a sleeve 20 of the attachment 10 and in Figures 7 to 10 details of a second support ring 50 of the attachment 10 are shown.
  • the laser module 1 has an attachment 10 and a laser diode 90 .
  • the attachment 10 comprises as individual components a sleeve 20, a first support ring 30, a first optical element 40 designed as a collimating lens, a first spring element 34, a second support ring 50, a second optical element 60 designed as a volume Bragg grating, and a second spring element 70, which are described in detail below.
  • the laser diode 90 comprises a base formed from a substrate 91 and contact connections 98 or pins, a housing 92 and a semiconductor chip 95 which forms the actual laser diode with an internal resonator (internal cavity).
  • the mode of operation of the laser diode or of the semiconductor chip 95 is that of an edge emitter. If the semiconductor chip 95 is supplied with power via the contact connections 98 via connecting lines (not shown), it emits a narrow-band laser radiation from its edge surface 96 serving as a decoupling surface.
  • the semiconductor chip 95 is placed, for example, vertically on the surface 94 of the substrate 91. Not shown is an optional photodiode, by means of which the power supply can be regulated in a known manner, so that the luminous flux is as constant as possible.
  • a third contact terminal (not shown) may be provided.
  • the housing 92 is provided on the surface 94 of the substrate 91 and protects the semiconductor chip 95 and possibly other components. In the housing 92 there is an opening or window 93 on the end face, through which the laser radiation emitted from the edge surface 96 can exit.
  • the laser diode 90 can be a commercially available module, for example with a TO 38, TO 56 or TO 90 package. However, other types are also possible.
  • the semiconductor chip 95 is set up, for example, to emit light in the infrared, visible or ultraviolet wavelength range.
  • the sleeve 20 is of generally cylindrical construction with a cylindrical sleeve portion 21 and a flange portion 22.
  • the flange portion 22 defines a proximal end portion 26 of the attachment 10 in which the laser diode 90 can be received, as seen in FIG.
  • the cylindrical sleeve portion 21 extends from the proximal end portion 26 and the flange portion 22 toward a distal end portion 27, respectively.
  • the cylindrical sleeve section 21 has an inner wall 262 designed as a bore, and the cylindrical sleeve section 21 has a likewise cylindrical inner wall 271 via a step-like stop surface 272 adjacent to the distal end section 27.
  • the diameter of the cylindrical inner wall 271 is greater than the diameter of the inner wall 262, so that the wall thickness is less than 0.5 mm in the specific embodiment.
  • the inner wall 271 and the inner wall 262 both have the central axis X as the axis of symmetry.
  • an annular inner wall 261 Directly on the proximal end section 26, between the inner wall 262 and a proximal end face 225 of the sleeve 20, there extends an annular inner wall 261, also designed as a bore, the diameter of which is in turn larger than that of the inner wall 262.
  • the corresponding bore serves to accommodate the substrate 91 of the laser diode 90, in such a way that the semiconductor chip 95 extends from the substrate surface 94 parallel to and along the central axis X within the space delimited by the inner wall 262, with its decoupling surface or edge surface 96 being perpendicular to the central axis X.
  • a diameter of the annular outer wall 97 of the substrate 91 corresponds to the diameter of the annular inner wall 261.
  • the laser diode 90 can be inserted by means of a press fit in order to form the laser module 1, or with little play in the fitting bore, in which the laser diode 90 is welded by 3 spot welds is fixed. The latter offers the advantage of simple assembly, but the various exemplary embodiments are not limited by the specific design of the attachment.
  • the flange section 22 of the sleeve 20 is essentially disk-shaped with an upper surface 224 and a lower end face 225 and has a cylindrical section 223 and an adjustment section 222 that can be used to align the laser module 1 in the installed state. Holes 221 can be used for attachment, for example in a lighting device (eg headlights) or in a projection device of a heads-up display of a vehicle.
  • the first support ring 30 is attached to the sleeve 20 in the space delimited by the inner wall 271 near the stop surface 272 .
  • the first support ring 30 is arranged adjacent to the proximal end section 26, the term "adjacent" including a certain distance that results from the spatial relationship between the laser diode 95 accommodated in the proximal end section and that accommodated in the first support ring 30 first optical element 40 (collimating lens), see the distance d in Fig. 2.
  • the first support ring 30 has a cylindrical outer wall 31 with a diameter which approximately corresponds to that of the inner wall 271, with a slight, intended tolerance allowing for a certain air gap between the outer wall 31 and the inner wall 271 remains.
  • the first support ring 30 has an axis of symmetry which coincides with the center axis X when installed in the sleeve 20 .
  • the first support ring 30 has an annular inner wall 33 and an opening 32 in a bottom surface, the diameter of which is smaller than the diameter of the inner wall 33, so that the first optical element 40 (a collimating lens in the exemplary embodiment) in one of the inner wall 33 and the bottom surface formed interior can be included and held.
  • the central axis X of the sleeve and an optical axis coinciding therewith extend through the opening 32 and the first optical element 40 received by the first support ring 30.
  • annular first spring element 34 is arranged on the first support ring 30, more precisely on its circumferential upper edge surface, which connects the outer wall 34 with the inner wall 33, the spring shackles (not shown) having which extend inward toward the central axis X and press on a peripheral top surface portion of the first optical element 40 to hold it in place.
  • three elongated holes 25 are cut out in the wall of the cylindrical sleeve section 21 in the region of the inner wall 271 with the larger diameter towards the distal end section 27, the longitudinal axis of which is parallel to the central axis X is. Over the outer circumference of the sleeve 20, they are equiangularly spaced from one another educated.
  • the elongated holes 25 serve to position such elements as the first support ring 30 and the second support ring 50 in the inner space formed by the inner wall 271 using external devices. In particular, holding arms can reach through the elongated holes 25 and hold or position the support rings 30, 50 located in the interior.
  • three holes 211 for welding the first support ring 30 or for fastening the first support ring 30 to the inner wall 271 of the sleeve 20 are provided--spaced apart from the respective elongated hole 25 in the circumferential direction of the sleeve 20. These three holes 211 are located at a position along the central axis X, at which a proximal end of the respective elongated hole 25 is also located. The positions of the 3 holes 211 thus specify the approximate axial position of a 3-point attachment of the first support ring in the sleeve 20.
  • the axial length of the elongated holes 25 and the axial extent of the outer surface 31 of the first support ring 30 allow for a precise adjustment of the axial position of the first optical element 40 in the first support ring 40, which is described further below.
  • the second support ring 50 is arranged in the distal end section 27 of the sleeve 20 on the side of the first optical element 40 facing away from the laser diode 90 .
  • the basic structure of the second support ring 50 is similar to that of the first support ring 30, but has some important differences, as can be seen in particular in FIGS.
  • the second support ring 50 has an outer wall section 51 which is continuously spherical in the exemplary embodiment shown and at least partially spherical in other exemplary embodiments. This is indicated by a spherical radius R in FIG.
  • the spherical radius R can correspond to half the diameter of the inner wall 271 of the sleeve 20 .
  • the second support ring 50 can not only be displaced in the axial direction along the central axis X, but also a fine adjustment of its angle of inclination a (see in particular Fig. 2) relative to the central axis X can be set by rotating about an axis perpendicular to the central axis will. A rotation only around the X-axis is of course also possible in principle.
  • the second supporting ring 50 has a flat plate shape with an upper surface 58 and projections 53, 54 arranged thereon and opposing one another in pairs. It is also possible to connect the projections 53, 54 together to obtain a circumferential projection. An opening 52 in the form of a slot is cut out in the upper surface 58 and extends with its longitudinal axis between the projections 53 X or the optical axis of the optical system extends through the opening 52 .
  • the semiconductor chip 95 and the edge surface 96 are viewed from the (lateral) edge of the chip (edge-on).
  • the so-called “fast axis” with greater divergence in FIG. 2 is in the plane of the drawing, while the so-called “slow axis” with little divergence is perpendicular to the plane of the drawing.
  • the second support ring 50 is aligned relative to the semiconductor chip 95 in such a way that the longitudinal axis of the opening 52 lies approximately parallel to the "fast axis" with greater divergence, i. H. in Fig. 2 also within the plane of the drawing.
  • a rectangular space is formed on the upper surface 58 by abutment surfaces 56,57 on the projections 53,54.
  • a volume Bragg grating (VBG grating) or a wavelength-selective reflection grating is arranged as an example of a second optical element 60 in the space defined in this way.
  • the semiconductor chip 95 of the laser diode 90, the collimation lens as the first optical element 40 and the VBG grating as the second optical element 60 are spatially positioned in relation to one another and interact in such a way that, as described at the outset, they function as a laser diode with an external resonator (engl.: externa!
  • the second support ring 50 acts along the central axis X or the optical axis, thereby emitting a laser beam with a very narrow-band and temperature-stable emission spectrum from the laser module 1 .
  • a special attachment of the second support ring 50 is provided for this purpose.
  • three pairs of cutouts 231 are provided in the axial direction in the cylindrical sleeve section 21 from an edge section 273 on the distal end section 27 with such a length that each between a narrow web extends as one of three flexible elements 23 in the opposite direction up to the edge portion 273 from the cutouts 231 of a pair.
  • the webs are 8 mm long with a constant width.
  • the three flexible members 23 are arranged in the circumferential direction of the sleeve 20 at equal angular intervals from each other, that is, at intervals of 120°.
  • the width of the webs or of the flexible elements 23 is so small that the curvature of the surface around the central axis X does not have a stabilizing effect, in the specific exemplary embodiment 1.5 mm. Because of this, the flexible elements 23 can be bent without being destroyed.
  • a biasing force F b directed inwards towards the central axis X which is sufficient to bend the flexible elements 23 inwards by a distance relative to the inner wall 271 of the cylindrical sleeve section 21 when the second support ring 50 is not between the flexible elements 23 would be clamped, in the specific embodiment by a distance of 3 mm. Because of this prestressing force F b , however, the second support ring 50 clamped between the flexible elements 23 is held in a frictionally engaged manner, ie without a gap, before it is fixed in place with a material bond.
  • the rigid sections 28 are not provided with a prestressing force in the direction of the central axis X. For this reason alone they do not press on the spherical outer wall sections 51 of the second support ring 50 . Consequently, at least one air gap 24 remains between the rigid sections 28 and the second support ring 50 (indicated in FIG. 1).
  • the flexible elements 23 each have an inner wall with a contact surface 232 which presses on the second support ring 50 with the prestressing force F b .
  • the prestressing force F b can be realized in that, in a previously performed process after the flexible elements 23 have been formed through the cutouts 231, the flexible elements 23 are bent inwards with a free second end 239 by plastic deformation (for example under the influence of temperature). , that a first end 238 opposite, via which the flexible element 23 is integrally connected to the rest of the cylindrical fluff section 21 in the embodiment.
  • the second optical element 60 is held in place by the second spring element 70 .
  • the second spring element 70 is formed by a flat ring section 71 and, in the specific exemplary embodiment, by four spring tabs 72, which press on the second optical element 60 when the second spring element 70 is arranged on a spring receiving surface 59 of the second support ring 50 and the second optical element 60 is positioned in the second support ring 50 .
  • the exact positioning of the second spring element 70 on the second support ring 50 is accomplished by edge stops 591 and adjustment projections 592, which engage in corresponding adjustment recesses 73 of the second spring element 70, see in particular Figures 3, 7 and 8.
  • the two projections 54 also point to the Stop surfaces 57 toward inclined surfaces 55 that facilitate placement or removal of the second optical element.
  • the attachment of the second support ring 50 to the flexible elements 23 or to their contact surfaces 232 is advantageously carried out by laser welding at the edges of the flexible elements 23 that are accessible from the cutouts. Due to the gap-free contact between the spherical outer wall section 51 of the second support ring 50 and the Contact surface on the inner wall of the flexible member 23 does not need to use any additive in welding. Furthermore, it is not necessary to weld through the entire wall thickness, but the described lateral access via the six cutouts 231 is sufficient. Thus, the energy input is also several times lower. As a result, the mechanical Distortion after the adjustment of the second optical element 60 has been carried out and the welding point has cooled down significantly less than in the case of resistance welding, for example. The latter is more commonly used in the manufacture of attachments because it is less expensive.
  • a measurement carried out shows how relevant the precise positioning, i.e. in particular also the angle of inclination a, of the volume Bragg grating is as the second optical element 60 for forming the external resonator: with an optimally adjusted second optical element 60, using the structure described above and using laser welding at a central wavelength of the laser beam emitted from the laser module 1 of about 457.5 nm, a bandwidth of the emission spectrum of less than 0.2 nm can be obtained.
  • the emission spectrum had a bandwidth of approximately 2 nm.
  • the central wavelength was also slightly shifted in the comparative example.
  • attachment or only parts thereof can preferably be made of a weldable material, ie preferably a metal, in particular steel.
  • the laser diode 90 and a blank (but with the holes and the flange) of the sleeve 20 are provided.
  • the laser diode is placed in the proximal end section 26, aligned (see hole 263 in end section 26 in Fig. 6 and unspecified but visible recess in the outer wall 97 of the substrate 91 on the left in Fig. 2) and fixed by laser spot welding.
  • the "fast axis" of the semiconductor chip 95 of the laser diode 90 is then aligned with the two mounting holes 221 in the flange.
  • the three pairs of cutouts 231 have already been cut out in the sleeve 20 so that the 8 mm long, 3 mm wide and 1.5 mm deep webs are designed as flexible elements 23 .
  • the first support ring 30 with the collimating lens held by this as the first optical element 40 is used.
  • the laser module 1 with the not yet completed attachment 10 is positioned opposite a camera system (not shown) and the axial position is adjusted with the laser diode switched on, the image recorded by the camera being examined with regard to the quality of the collimation achieved and the axial position as a function of this quality is set.
  • the first support ring 30 is held and adjusted through the elongated holes 25 by an external holding device (not shown).
  • the first spring element 34 is already attached.
  • the first supporting ring 30 is fixed as a whole to the sleeve through the holes 211 by means of edge welding.
  • the collimating lens 40 is now held securely in the first support ring 30 .
  • the second supporting ring 50 with the VBG grating (second optical element 60) is inserted into the sleeve 20 from the distal end portion.
  • the flexible elements 23 or webs have already been deformed (bent) inwards towards the central axis X beforehand. Due to the spherical outer shape of the second support ring 50, which acts as an insertion bevel, it can then simply be pressed in. This is now also done in that the second support ring 50 is pushed between the flexible elements 23 and thus pushes them outwards due to its diameter.
  • the second support ring 50 is now positioned opposite a spectrometer (not shown) and, with the laser diode 90 switched on, the first diffraction order is spectrally analyzed, ie in particular examined for a bandwidth of the emission spectrum.
  • the second support ring 50 is supported by a hexapod in different degrees of freedom (translation in the axial direction along the central axis, rotation or inclination angle adjustment) moves. The bandwidth is evaluated in each case and an optimal adjustment position is determined.
  • the second support ring 50 is held in this (optimal) position by the flexible elements with a friction fit. Subsequently, the second support ring 50 is laser edge welded to the flexible elements 23 laterally from the cutouts 23, so that the second support ring 50 is fixed. Before insertion, the second spring element 70 was already placed on the second support ring 50 with the VBG 60 between it and fixed at at least three points by laser spot welding.
  • the webs open on one side can also be designed integrally with the other sleeve components at both ends, with only a central part exerting an inward prestressing force.
  • the number and position of the flexible elements can also deviate.
  • the cutouts 231 can also be U-shaped in the sleeve wall, ie the flexible elements no longer extend to the edge section 273.
  • the flexible elements 23 can also extend in the direction of the proximal end section instead of vice versa as described above.
  • the width of the flexible sections does not necessarily have to be constant - for example, the flexible elements can have a triangular shape or have curves. Furthermore, the flexible elements can also not be designed integrally with the sleeve body. Furthermore, instead of the convex lens shown as collimation lens for the first optical element, holographic elements (eg Fresnel lenses) can also be used as collimation lenses. Furthermore, alternatives to the volume Bragg grating as the second optical element are also conceivable (other types of wavelength-sensitive Bragg gratings). In this sense, many other modifications are possible. Thus, the sleeve 20 can also be a tube with a larger diameter, which consists of spring-hard material but can still be bent.
  • This tube can be pushed inwards at three points, forming a rounded triangular shape.
  • the effect that can be achieved is the same as that of the second support ring 50 held free of play.
  • the three points pushed inwards each form flexible elements with corresponding contact surfaces for the second support ring 50.
  • REFERENCE NUMBERS LIST Laser module attachment sleeve cylindrical sleeve section holes for welding the first support ring hole for holding the second support ring flange section fastening hole adjustment section cylindrical section upper surface end face flexible element cutout contact point first end second end gap elongated hole proximal end annular inner wall inner wall distal end inner wall stop surface edge section rigid sleeve section first support ring cylindrical outer wall opening (for the laser beam) annular inner wall first spring element first optical element

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Abstract

Ein Aufsatz (10) für ein eine Laserdiode (90) aufweisendes Lasermodul, umfasst eine Hülse (20) mit einem proximalen Endabschnitt (26) und einem distalen Endabschnitt (27) und einer sich von dem proximalen Endabschnitt (26) zum distalen Endabschnitt (27) erstreckenden Mittenachse (x), wobei der proximale Endabschnitt (26) zur Aufnahme wenigstens einer Laserdiode (90) eingerichtet ist, wobei die Hülse (20) eine Anzahl von flexiblen Elementen (23) umfasst, die sich in einer im Wesentlichen axialen Richtung der Hülse (20) erstrecken. Ferner umfasst der Aufsatz einen ersten Tragring (30) mit einem von diesem gehaltenen ersten optischen Element (40), wobei der erste Tragring (30) benachbart zu dem proximalen Endabschnitt (26) in der Hülse befestigt ist, und einen zweiten Tragring (50) mit einem von diesem gehaltenen zweiten optischen Element (60), wobei der zweite Tragring (50) durch die flexiblen Elementen (23) gehalten ist, wobei jedes der flexiblen Elemente (23) in radialer Richtung zur Mittenachse (X) hin mechanisch vorgespannt ist und somit eine Vorspannkraft (Fb) auf den zwischen den flexiblen Elementen (23) gehaltenen zweiten Tragring (50) ausübt. Durch den vorgeschlagenen Aufsatz (10) und das entsprechende Lasermodul (1) sowie durch Einsatz eines verzugsfreien Schweißprozesses kann ein Laserstrahl mit deutlich schmalbandigerem Emissionsspektrum und stark verminderter Wellenlängendrift bei den in Fahrzeugen üblichen Temperaturbedingungen erhalten werden.

Description

AUFSATZ FÜR EIN EINE LASERDIODE AUFWEISENDES LASERMODUL SOWIE VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DES LASERMODULS
BESCHREIBUNG
Technisches Gebiet
Verschiedene Ausführungsbeispiele betreffen einen Aufsatz für ein eine Laserdiode aufweisendes Lasermodul sowie auch das Lasermodul selbst. Sie betreffen insbesondere auch Lasermodule für den Einsatz in Fahrzeugen. Weitere Aspekte beziehen sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Lasermoduls.
Hintergrund
Lasermodule können außer in stationären Anwendungen wie z.B. Leitwarten besonders auch in Fahrzeugen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, Baufahrzeugen, Raumfahrzeugen, Flugzeugen oder Schiffen, etc., in vielfältiger Weise zum Einsatz kommen. Die mit solcher Lasertechnologie verbundene sehr hohe Leuchtdichte erlaubt dabei zum Beispiel eine weitere Miniaturisierung im Bereich der Fahrzeugbeleuchtung (z.B. Schweinwerfer etc.). Sie erlaubt aber auch die Einrichtung neuerer Techniken wie eine Abstands- und Geschwindigkeitsmessung (z.B. mit LIDAR) sowie auch eine Kommunikation von Verkehrsteilnehmern durch Datenübertragung auf optischem Wege untereinander.
Ein weiterer bekannter Einsatzaspekt von Lasertechnologie bei Fahrzeugen liegt im Bereich Augmented Reality (erweiterte Realität, AR). Hierbei werden z.B. mittels eines Head-Up Displays dem Fahrzeugführer zwei- oder dreidimensional dargestellte Informationen in sein Sichtfeld durch ein Fenster des Fahrzeugs eingeblendet bzw. das Sichtfeld mit darin erkannten Objekten mit diesen Informationen überlagert. Dies kann über ein in das Fenster (oder in eine in davor platzierte, transparente Platte) integriertes holografisches optisches Element (HOE) erfolgen, das - auch als sog. Combiner bezeichnet - in geeigneter Weise von einer Abbildungsmatrix mit einer Lichtwellenfront bestrahlt wird, wobei zur Ausnutzung der Effekte des im holografischen optischen Element implementierten Hologramms hochgradig kohärentes Licht benötigt wird, das daher vorzugsweise aus einem oder mehreren Lasermodulen herrühren kann.
Bei den oben beschriebenen Einsatzmöglichkeiten von Lasermodulen in Fahrzeugen wird oftmals eine Laserdiode als Standardbaustein verwendet, der aus der eigentlichen Laserdiode, nämlich einem Laserchip, weiter aus einem den Laserchip tragenden Substrat, elektrischen Leitungen mit optionalen elektronischen Bauteilen wie etwa einer Fotodiode, zwei oder drei Kontaktfahnen bzw. -pins, und aus einem diese Komponenten schützenden Gehäuse mit Auskoppelfenster gebildet ist. Der Laserchip ist üblicherweise ein Kantenemitter. Die Gehäuse mit dem aus Substrat und Kontaktpins gebildeten Sockel sind nach Größe genormt, z.B. kann es sich um TO 38-, TO 56- oder TO 90-Gehäuse, etc. handeln. In der vorliegenden Anmeldung kann mit "Laserdiode" auch der gesamte Baustein mit Gehäuse und Sockel bezeichnet werden und nicht nur der eigentliche Laserchip.
Solche Laserdioden werden regelmäßig mit hülsenförmigen Aufsätzen, sogenannten Submounts versehen, in denen z.B. ein optisches Element verbaut sein kann, mit welchem der austretende Laserstrahl "verarbeitet" wird. Ein typisches Beispiel ist eine Kollimationslinse, die dazu dient, den aus dem Fenster des Gehäuses austretenden Laserstrahl zu kollimieren und damit für die spezielle weitere Verwendung brauchbar zu machen.
Es versteht sich, dass im Beispiel einer Kollimationslinse z.B. deren Abstand und Ausrichtung zur Austrittsoberfläche des Laserchips bzw. Kantenemitters für die Kollimation des Laserstrahls durchaus relevant ist. Es wurden daher verschiedene Ausführungen von Aufsätzen vorgeschlagen, die eine genauere Justage ermöglichen sollen.
So ist in der Druckschrift DE 203 15 196 U1 eine laserjustierbare Halterung für optische Komponenten in einer Laseranordnung vorgeschlagen, bei der in einem hülsenartigen Justageelement durch Laserbestrahlung von außen aktivierbare Doppelbrückenaktoren vorgesehen sind, anhand derer eine Justierebene des an einer Stirnseite in der Hülse durch ein Tragelement gehaltenen optischen Elements verlagert werden kann.
In der Druckschrift DE 102017205 126 A1 ist eine hülsenartige Justagevorrichtung vorgeschlagen, bei der in einem einstückigen Bauteil durch darin eingebrachte Ausschnitte eine Fassung für eine Linse ausgebildet wird, die durch mehrere unterschiedlich geneigte Haltearme mit den in der Druckschrift als Tragringe bezeichneten zylindrischen Hülsenabschnitten auf beiden Seiten der Fassung verbunden ist. Die ringförmige Fassung weist ferner einen Schlitz auf, so dass sie durch Ausdehnung und unter Spannung die Linse in sich aufnehmen kann. Durch gezielte Erwärmung der Halterarme kann die in der Fassung aufgenommene Linse in ihrer Ausrichtung positioniert werden.
Die Druckschrift US 5,317,875 A beschreibt einen thermisch steuerbaren Aktuator für die Positionierung von optischen Elementen. Die Druckschrift US 4,932,210 A beschreibt die Möglichkeit, Formgedächtnismaterialien in einem Aktuator einzusetzen.
Die Druckschrift US 5,855,430 A offenbart eine Fahrzeugscheinwerferanordnung, bei der in einer Halogenlampe das gequetschte Ende des Glashohlkörpers der betreffenden Lichtquelle in einer Öffnung einer den Glashohlkörper haltenden Halteschale durch mechanisch verbogene Laschen gehalten wird, die in Ausnehmungen des gequetschten Endes eingreifen und so den Glashohlkörper in der Lampe fixieren.
In Fahrzeugen bestehen hohe Anforderungen an Qualität und Dauerhaftigkeit der Lasermodule bzw. der von diesen abgegebenen Laserstrahlung. Diese Eigenschaften können nämlich speziell in Kraftfahrzeugen durch einen weiten Temperaturbereich (z.B. -40°C bis +125°C) und durch in erheblichem Maße auftretende Vibrationen und Stoßbelastungen beeinträchtigt werden. Bei einzelnen Anwendungen kann es erforderlich sein, eine besonders präzise Justage der optischen Elemente einschließlich der Lichtquelle und auch besonders der Fixierung relativ zueinander zu gewährleisten. Das Ziel ist eine mechanisch stabile Konstruktion sowie eine möglichst geringe Abhängigkeit von der Betriebstemperatur auch über eine längere Zeitdauer des Betriebs hinweg.
Darstellung verschiedener Aspekte
Einem Aspekt zufolge kann solchen Anforderungen Rechnung getragen werden, indem ein Aufsatz für ein eine Laserdiode aufweisendes Lasermodul vorgeschlagen wird, das sich zumindest aus einer Hülse, einem ersten Tragring und einem zweiten Tragring zusammensetzt. Die Hülse besitzt einen proximalen Endabschnitt und einen distalen Endabschnitt und eine sich von dem proximalen Endabschnitt zum distalen Endabschnitt erstreckende Mittenachse. Der proximale Endabschnitt ist dabei zur Aufnahme wenigstens einer Laserdiode eingerichtet. Der Begriff Hülse ist hierbei weit gefasst. Es kann sich um ein teils röhrenartiges, zylindrisches Element handeln, es kann aber auch abweichende Formen aufweisen. Ausführungsbeispielen zufolge ist am proximalen Ende eine flanschartige Erweiterung vorgesehen. Die Form braucht auch nicht zylindrisch zu sein, sondern kann auch eckige Querschnittsprofile aufweisen. Ebenso braucht die Hülse auch nicht rundherum geschlossen zu sein, sondern kann Schlitze aufweisen oder sogar aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein. Die Mittenachse kann mit einer optischen Achse des von der Laserdiode emittierten Laserstrahl zusammenfallen oder zumindest parallel zu dieser sein.
Die Hülse umfasst eine Anzahl von flexiblen Elementen, die sich in einer im Wesentlichen axialen Richtung der Hülse erstrecken, d.h. im Wesentlichen parallel zur Mittenachse. Der erste Tragring nimmt ein von ihm gehaltenes erstes optisches Element auf. Der erste Tragring ist benachbart zu dem proximalen Endabschnitt in der Hülse befestigt. Insbesondere kann das vom Tragring gehaltene erste optische Element in einer vorbestimmten physikalisch-räumlichen Beziehung zu einer am oder im proximalen Endabschnitt aufgenommenen Laserdiode stehen, so dass der von einer solchen Laserdiode abgegebene Laserstrahl in der gemäß dem ersten optischen Element bestimmungsgemäßen Weise modifiziert (d.h., umgelenkt, abgelenkt, reflektiert, gebeugt, gestreut, gefiltert, teil-absorbiert, etc.) werden kann. Der zweite Tragring nimmt ein von diesem gehaltenes zweites optisches Element auf. Der zweite Tragring kann so positioniert sein, dass das von ihm gehaltene zweite optische Element auf der der Laserdiode gegenüberliegenden Seite des ersten optischen Elements angeordnet ist. Die optische Achse kann sich dann von der Laserdiode am proximalen Endabschnitt durch die Hülse durch den ersten Tragring und durch das erste optische Element in Richtung des distalen Endabschnitts zum zweiten Tragring und durch das zweite optische Element erstrecken. Der zweite Tragring ist dabei aber durch die flexiblen Elemente gehalten.
Jedes der beteiligten flexiblen Elemente, das den zweiten Tragring hält, ist dabei in radialer Richtung zur Mittenachse hin mechanisch vorgespannt. Insbesondere übt es eine Vorspannkraft Fb auf den zwischen den flexiblen Elementen gehaltenen zweiten Tragring aus. Herstellungstechnisch kann diese Vorspannkraft zum Beispiel realisiert sein, indem die flexiblen Elemente zur Mittenachse hin vorab mechanisch verbogene Teile der Hülse oder daran angebrachte Teile darstellen, die beim Halten des Tragrings durch diesen nach außen expandiert sind, etwa weil er einen größeren Durchmesser hat als durch die verbogenen Teile zur Verfügung steht. Nicht ausgeschlossen ist, dass die Vorspannkraft auch durch die Verwendung von Formgedächtnismaterialien und den Einfluss hierfür geeigneter Temperaturen erreicht werden kann, oder dass piezoelektrische Materialen verwendet werden. Allerdings schränkt die nachfolgend zu beschreibende Bearbeitbarkeit durch Laserschweißen etc. diese Materialien etwas ein.
Durch den beschriebenen Aufbau eines Aufsatzes für ein Lasermodul wird ein Vorteil dadurch erzielt, dass der zweite Tragring kraftschlüssig aber vor der Fixierung immer noch bewegbar gehalten und dadurch in sechs Freiheitsgraden ausgerichtet werden kann. Die Ausrichtung des Tragrings gegenüber der optischen Achse bzw. gegenüber der Mittenachse wird durch die von dem zweiten optischen Element bestimmungsgemäß zu erzielenden Wirkung gesteuert. Diese Ausrichtung kann von einer externen Vorrichtung vorgenommen werden. Ein weiterer damit einhergehender Vorteil ist nun, dass gerade deswegen, weil die flexiblen Elemente der Hülse eine Vorspannkraft Fb auf den zweiten Tragring ausüben, dann auch kein (sonst kaum zu vermeidender minimaler) Luftspalt mehr zwischen dem zweiten Tragring und den flexiblen Elementen vorliegt.
Es kann daher nachfolgend zur (finalen) Fixierung ein Schweißen ohne Zusatzwerkstoff durchgeführt werden, insbesondere ein Laser- bzw. Kantenschweißen, wobei z.B. das Material der flexiblen Elemente selbst zur stoffschlüssigen Verbindung genutzt wird. Dies bietet den Vorteil, dass Verzüge nach dem Auskühlen vermieden werden und beispielsweise eine einmal bestimmte Ausrichtung (z.B. ein einmal bestimmter Kippwinkel) für das zweite optische Element so beibehalten werden kann, wie er eben vorher z.B. durch Messung bestimmt wurde. Ein minimaler Verzug kann dabei insbesondere auch durch das gleichzeitige Schweißen aller Kontaktstellen eines Tragringes erzielt werden. Im herkömmlichen Fall ist nach der Schweißung eine Nachjustierung des zweiten Tragrings allenfalls mit Aufwand durchführbar, außerdem ungenau, sowie auch potentiell instabil und kaum noch ökonomisch, außer es wird einem Vergleichsbeispiel zufolge eine nachträgliche Verformung durch Lasertrimmen vorgenommen, wie es beispielsweise in der o.g. Druckschrift DE 203 15 196 U1 beschrieben ist. Im vorliegenden Fall ist eine solche Nachjustierung dagegen gar nicht mehr erforderlich. Insbesondere wird nämlich durch den spaltfreien Kontakt auch weniger Energieeintrag beim Schweißen benötigt. Folglich wird auch die Erwärmung der Hülse und infolgedessen auch der mögliche Verzug minimiert, und die Qualität in der Justierung der optischen Elemente wird dadurch erheblich verbessert.
Es ist anzumerken, dass der erste und/oder der zweite Tragring gleichsam als Fassungen für die betreffenden optischen Elemente dienen. Es können Ausführungsbeispielen zufolge jeweils Federelemente in Verbindung mit dem jeweiligen Tragring oder als getrenntes Bauteil bereitgestellt sein, die die optischen Elemente in dem einen oder anderen Tragring halten und gegebenenfalls auch fixieren. Die Tragringe können ringartig ausgeführt sein, um über eine innere Öffnung das jeweilige optische Element dem Laserstrahl preiszugeben, um die bestimmungsgemäße Wirkung zu erzielen. Der Ring selbst braucht aber nicht notwendig geschlossen zu sein. Er kann auch durch Schlitze geöffnet oder mehrteiig ausgebildet sein. In einer vorzugsweisen Ausgestaltung sind der erste und vor allem der zweite Tragring allerdings einstückig und geschlossen um die Verzugsfreiheit bestmöglich zu erhalten.
Ferner ist anzumerken, dass die flexiblen Elemente beliebige geometrische Formen und Dimensionen annehmen können, solange die erforderlichen Eigenschaften der nach innen gerichteten Vorspannkraft und die dadurch erzielbaren Vorteile wie beschrieben erhalten bleiben.
Einer speziellen Weiterbildung des Aufsatzes für ein Lasermodul zufolge ist der zweite Tragring an jedem der beteiligten flexiblen Elemente befestigt, beispielweise durch Laserschweißen. Durch die Mehrpunktfixierung entsteht ein stabiler und rüttelfester Aufsatz mit dauerhaften optischen Eigenschaften.
Einer weiteren speziellen Weiterbildung des Aufsatzes für ein Lasermodul zufolge sind die flexiblen Elemente einstückig mit der Hülse ausgebildet. Dadurch können die flexiblen Elemente durch einfaches Laserschneiden hergestellt werden und besitzen nach der Fixierung eine maximale mechanische Stabilität und Temperaturbeständigkeit. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die flexiblen Elemente am proximalen Endabschnitt der Hülse durch Ausschneiden von Abschnitten der Hülse ausgebildet, so dass sie zwar frei hervorstehen, aber nicht über einen stehen gebliebenen Randabschnitt am Ende der übrigen Hülse hinausreichen dadurch sind die flexiblen Elemente sowie auch der von ihnen gehaltene zweite Tragring mit dem zweiten optischen Element besser gegen mechanische Beschädigungen durch Berührungen externer Gegenstände geschützt.
Einer weiteren speziellen Weiterbildung des Aufsatzes für ein Lasermodul zufolge sind die flexiblen Elemente als Stege ausgebildet sind, die jeweils ein mit der Hülse verbundenes erste Ende und ein gegenüberliegendes freies bzw. offenes zweites Ende besitzen. In der Umgebung des freien zweiten Endes kontaktieren die Stege jeweils den zweiten Tragring, drücken auf diesen und sind an diesem befestigt. Dadurch kann in einfacher Weise eine mechanische, nach innen gerichtete Vorspannkraft z.B. durch Verbiegen von Hülsenelementen nach innen realisiert werden. Ferner lassen sich Stege in einfacher Weise durch Schneiden des umgebenden Hülsenmaterials mit dem Laser hersteilen. Aufwand und Kosten werden dadurch reduziert.
Einer weiteren speziellen Weiterbildung des Aufsatzes für ein Lasermodul zufolge besitzen die flexiblen Elemente eine Länge von nicht weniger als 4 mm und/oder nicht mehr als 20 mm. Die Längen sind natürlich auch abhängig von den Dimensionen der Hülse, von den Wanddicken und Stegbreiten, sowie vom Material um die jeweils ideale Flexibilität zu erhalten. Der angegebene Längenbereich hat sich aber als durchaus vorteilhaft erwiesen. Auch die Oberflächenbeschaffenheit der Stege auf der Außenseite und des Tragrings auf der Innenseite ist wichtig. Hier wirkt sich eine möglichst geringe Oberflächenrauhigkeit positiv auf eine verzugfreie Verbindung der beiden Teile aus.
Einer weiteren speziellen Weiterbildung des Aufsatzes für ein Lasermodul zufolge besitzen die flexiblen Elemente eine über deren Länge hinweg im Wesentlichen konstante Breite in einer Umfangsrichtung der Hülse um die Mittenachse herum von nicht weniger als 1 mm und/oder nicht mehr als 3 mm. Auch dieser Wertebereich liefert zufriedenstellende Ergebnisse hinsichtlich der gewünschten Biegefestigkeit bzw. Vorspannkraft, wenn das jeweilige flexible Element durch den Tragring nach außen gedrückt wird.
Einer weiteren speziellen Weiterbildung des Aufsatzes für ein Lasermodul zufolge besitzen die flexiblen Elemente eine Wanddicke in radialer Richtung zur Mittenachse hin von nicht weniger als 0,2 mm und/oder nicht mehr als 1 mm, vorzugsweise nicht mehr als 0,5 mm. Auch dieser Wertebereich liefert zufriedenstellende Ergebnisse hinsichtlich der gewünschten Biegefestigkeit bzw. Vorspannkraft, wenn das jeweilige flexible Element durch den Tragring nach außen gedrückt wird.
Einer weiteren speziellen Weiterbildung des Aufsatzes für ein Lasermodul zufolge sind die flexiblen Elemente an dem zweiten Tragring durch eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere Laserpunktschweißen, Widerstandsschweißen, oder Löten befestigt. Laserpunktschweißen bietet wie beschrieben den besonderen Vorteil, dass keine Zusatzstoffe eingebracht werden, die zu Verzügen führen. Alternativ können die flexiblen Elemente auch durch eine kraftschlüssige Verbindung befestigt sein, insbesondere durch Schrauben oder Nieten.
Einer weiteren speziellen Weiterbildung des Aufsatzes für ein Lasermodul zufolge ist der erste Tragring an der Hülse durch Lichtbogenschweißen, insbesondere Micro- Wolfram-Inertgas-Schweißen oder Plasmaschweißen, oder Widerstandsschweißen befestigt. Die für den ersten Tragring vorgesehenen Schweißverfahren sind hier aber ebenso anwendbar, insbesondere auch dann, wenn einer alternativen Ausführungsform zufolge der erste Tragring selbst auch an den gleichen flexiblen Elementen (nur näher zu deren proximal-seitigem Ende hin) befestigt sein kann, oder aber an separaten, ähnlich aufgebauten flexiblen Elementen, die zum Beispiel in der Hülse ausgeschnitten sein können.
Folgende Schweißverfahren sind beispielhaft für den einen, für den anderen oder beide Tragringe anwendbar:
1. Laserschweißen (Kurzer Impuls mit einer Dauer von 1 - 5 ms -> wenig eingebracht Energie -> wenig Verzug),
2. WIG / TIG Schweißen mit einer Dauer von 1 - 10 ms (hier wird mehr Energie umgesetzt, weil ein verhältnismäßig großer Lichtbogen entsteht, mit einem Faktor 3 - 6),
3. Widerstandsschweißen: auch eine Dauer von 1 - 10 ms, es wird aber mehr Energie umgesetzt, weil die Elektroden auch erwärmt werden beim Prozess. Es ergibt sich sehr grob geschätzt ein Faktor 5 an umgesetzter Energie.
4. Löten: Faktor von 10 oder mehr, weil Zusatzmaterial geschmolzen werden muss und Zeit für die Benetzung nötig ist. -> dadurch wird in der Regel das ganze Bauteil warm.
Der Vergleich zeigt, dass stoffschlüssige eine Verbindung durch Laserschweißen ganz besonders bevorzugt ist, die anderen Schweißverfahren aber nicht grundsätzlich ausgeschlossen sein sollen.
Einer weiteren speziellen Weiterbildung des Aufsatzes für ein Lasermodul zufolge beträgt die Anzahl der flexiblen Elemente drei oder mehr. Andererseits ist es bevorzugt, dass die Anzahl der flexiblen Elemente nicht mehr als sechs, insbesondere nicht mehr als vier beträgt. Drei erste Elemente haben sich als besonders bevorzugt herausgestellt.
Einer weiteren speziellen Weiterbildung des Aufsatzes für ein Lasermodul zufolge ist die in radialer Richtung nach innen zur Mittenachse hin gerichtete Vorspannkraft Fb so eingerichtet, das sich die flexiblen Elemente gegenüber einer Innenwand der Hülse um nicht mehr als 0,4 mm und/oder nicht weniger als 0,2 mm elastisch nach innen biegen können, wenn innen kein Tragring entgegenwirken würde. Diese Vorspannkraft kann realisiert sein, indem die flexiblen Elemente vorab plastisch um genau Abstand nach innen verbogen bzw. verformt wurden.
Einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Aufsatzes für ein Lasermodul zufolge ist das erste optische Element eine Kollimationslinse und das zweite optische Element kann ein wellenlängenselektiver Reflektor zum Aufbau einer externen Kavität bzw. eines Diodenlasers mit externem Resonator in Bezug auf die im Aufsatz aufzunehmende Laserdiode sein. Insbesondere kann der wellenlängenselektive Reflektor ein Volumen-Bragg-Gitter (VBG) sein. Durch den externen Resonator kann ein besonders schmalbandiges Emissionspektrum erzielt werden, da das Volumen- Bragg-Gitter selektiv nur Strahlen einer bestimmten Wellenlänge in die Kavität zurückwirft bzw. reflektiert (sog. wavelength-locking). Durch die vorliegende Ausführungsform mit verzugsfreier Ausrichtung bietet sich jedoch der besondere Vorteil einer besonders genauen und temperaturstabilen Ausrichtung (bei sechs Freiheitsgraden) des das VBG-Gitter tragenden zweiten Tragrings mit besonders schmalbandiger Emission.
Die üblich in Fahrzeugen stark variierenden Temperaturen sowie der laufende Betrieb der Laserdiode mit nochmals deutlich erhöhten Temperaturen können nämlich zu einer beträchtlichen Temperatur- und damit einhergehenden Wellenlängendrift im emittierten Licht führen, gemessen in nm/K, welches aber nun durch das VBG-Gitter stabilisiert werden kann - dies aber nur in der Qualität und Stabilität seiner Justage. Kleinste Fehler in der Ausrichtung, z.B. durch das Problem des erwähnten Temperaturverzugs bei der Herstellung, führen zu einer beträchtlichen Verbreiterung des Emissionsbands und verursachen nicht mehr akzeptierbare Variationen der Zentralwellenlänge. Diesem Problem kann nun aber durch die vorliegende Ausführungsform erfolgreich entgegen getreten werden.
Es ist anzumerken, dass weiteren Ausführungsbeipielen zufolge das zweite optische Elemente grundsätzlich auch anders ausgeführt sein kann, zum Beispiel als eine weitere Kollimationslinse (z.B. FAC als erste und SAC als zweite Linse), als Multi- Lens-Array (MLA), als Diffractive Optical Element (DOE) oder als Holographie Optical Element (HOE), oder als Lichtkonverter (z.B. Phosphorplättchen). Die Aufzählung ist nicht abschließend.
Ferner ist einem alternativen Ausführungsbeispiel zufolge auch vorgesehen, zwei Linsen zur verbesserten Kollimation zu verwenden, und als drittes Element z.B. ein wellenlängensensitives Element (z.B. VBG-Gitter), mit entsprechenden ersten, zweiten und dritten Tragringen.
Einer weiteren speziellen Weiterbildung des Aufsatzes für ein Lasermodul zufolge ist die Hülse zur Aufnahme einer Licht im visuellen, infraroten oder ultravioletten Wellenlängenbereich abstrahlenden Laserdiode, insbesondere mit TO 38-, TO 56- oderTO 90-Gehäuse eingerichtet. Die Kombination mit solchen Bausteinen standardisierter Größen spart Kosten und Aufwand.
Es ist aber anzumerken, dass ein Aufsatz für ein Lasermodul gemäß weiteren Ausführungsbeispielen auch die Aufnahme einer Laserdiode ohne Gehäuse vorsieht (z.B. Chip-on-Board, COB) oder dass die Hülse des Aufsatzes gleichzeitig das Gehäuse der Laserdiode mit entsprechendem Sockel ausbildet.
Ein weiterer Aspekt sieht die Kombination eines Aufsatzes wie oben beschrieben mit der wenigstens einen Laserdiode zur Ausbildung eines Lasermoduls vor. Die Laserdiode kann zum Beispiel einen Kantenemitter als eigentlichen Halbleiterchip, eine mit diesem geeignet verschaltete Fotodiode zur Lichtstromkontrolle, ein Substrat, auf dem der Halbleiterchip und die Fotodiode angeordnet sind, Kontaktanschlüsse (Pins) und ein Gehäuse aufweisen. Wie beschrieben kann der Aufsatz auch selbst das Gehäuse ausbilden. Im Extremfall kann die Hülse des Aufsatzes nur noch oder fast nur noch aus flexiblen Elementen gebildet sein, die sich von einem Sockel oder Flansch des Aufsatzes bzw. der Laserdiode aus in Richtung parallel zu der Mittenachse erstrecken.
Anstatt eines Kantenemitters (edge emitter) können Ausführungsbeispielen zufolge auch Oberflächenemitter bzw. VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder HCSEL (Horizontal Cavity Surface Emitting Laser) verwendet sein.
Ein weiterer Aspekt sieht ein Verfahren zum Herstellen eines Lasermoduls vor, das die Schritte umfasst:
Bereitstellen einer Laserdiode sowie einer zur Aufnahme optischer Elemente eingerichteten Hülse und Zusammenbauen dieser Komponenten;
Positionieren und Ausrichten eines eine Kollimationslinse als erstes optisches Element haltenden ersten Tragrings in der Hülse, z.B. bei eingeschalteter Laserdiode abhängig von einer durch ein Photometer bestimmten minimalen flächigen Ausdehnung des Laserstrahls;
Befestigen des ersten Tragrings an der Hülse;
Positionieren und Ausrichten eines ein Volumen-Bragg-Gitter (VBG-Gitter) als zweites optisches Element haltenden zweiten Tragrings in der Hülse bei eingeschalteter Laserdiode abhängig von einer durch ein Spektrometer bestimmten Bandbreite des von dem Lasermodul emittierten Spektrums;
Befestigen des zweiten Tragrings an der Hülse.
Das vorgeschlagene Verfahren realisiert mit Hilfe einer Hülse und zweier Tragringe den Aufbau eines Diodenlasers mit externem Resonator (engl.: externa! cavity diode laser). Die Hülse und die Tragringe können wie oben im Detail beschrieben eingerichtet sein. Die Linienbreite der von der Laserdiode emittierten Strahlung liegt für sich genommen ohne weitere Maßnahmen im Bereich einiger Nanometer, z.B. 2 nm. Ferner ist überdies auch die Zentralwellenlänge, bzw. die Wellenlänge, bei der das Maximum liegt, temperatur- und auch stromabhängig. Mit einer wellenlängenselektiven Rückkopplung durch das VBG-Gitter kann die resultierende Wellenlängendrift jedoch deutlich verringert und stabilisiert werden, nämlich wenn vorrangig nur Licht einer bestimmten Wellenlänge zurückgekoppelt wird. Dabei wird der aus der Laserdiode austretende Strahl zunächst durch die Kollimationslinse (erstes optisches Element) kollimiert und trifft auf das VBG-Gitter. Abhängig vom detaillierten Aufbau kann z.B. die eine Beugungsordnung in die Laserdiode zurückreflektiert werden, während die andere Beugungsordnung als nachfolgend zu nutzender Laserstrahl ausgekoppelt werden kann. Der Reflexionsgrad des Gitters kann bestimmten Ausführungsbeispielen zufolge zwischen 25 % und 35 % liegen. Die rückwärtige Facette in der Laserdiode bildet zusammen mit dem VBG-Gitter mit dazwischen liegender Kollimationslinse den Resonator. Durch Drehung und Neigung des VBG-Gitters durch eine externe Justagevorrichtung (6 Freiheitsgrade) kann die Bandbreite des Emissionspektrums optimiert bzw. reduziert werden, nämlich indem der entsprechende zweite Tragring von der Hülse zunächst nur jeweils gehalten und bei eingeschalteter Laserdiode unter Messung der Bandbreite des Emissionsspektrums anhand eines Spektrometers justiert wird, und nachfolgend an der Hülse befestigt wird. Dadurch wird die entsprechende Wellenlänge festgelegt ( wavelength locking). Insbesondere werden diejenigen longitudinalen Moden, die allein in dem vergleichsweise kurzen Kristall generiert werden, selektiv ausgeschaltet, denn diese werden vom VBG-Gitter nicht rückgekoppelt.
Einer speziellen Ausgestaltung zufolge kann dabei das Positionieren und Ausrichten des ersten Tragrings und/oder des zweiten Tragrings durch einen Hexapod (engl auch allgemein: parallel manipulator) durchgeführt werden. Dieser erlaubt mit Vorteil die Justage der Tragringe in 6 Freiheitsgraden.
Einer weiteren speziellen Ausgestaltung zufolge kann das beschriebene Halten des zweiten Tragrings durch spaltfreies, reibschlüssiges Halten des zweiten Tragrings bewerkstelligt werden, nämlich durch eine Anzahl in radialer Richtung nach innen zu einer Mittenachse der Hülse vorgespannter flexibler Elemente der Hülse. Dies kann während und nach dem Positionieren und Ausrichten, aber vor dem Befestigen des zweiten Tragrings durchgeführt werden.
Einer weiteren speziellen Ausgestaltung zufolge kann das Befestigen des zweiten Tragrings an den flexiblen Elementen der Hülse durch ein Schweißen ohne Zusatzwerkstoff durchgeführt werden, insbesondere Laserschweißen. Dadurch entsteht der besondere Vorteil des verzugsfreien Befestigens. Dieser Vorteil ist oben bereits genau beschrieben worden. Das Resultat ist ein besonders schmalbandiges Spektrum mit sehr geringer Wellenlängendrift bei Temperaturänderungen.
Einer weiteren speziellen Ausgestaltung zufolge kann das Positionieren und Ausrichten des die Kollimationslinse als erstes optisches Element haltenden ersten Tragrings in dem Aufsatz bei eingeschalteter Laserdiode abhängig von einem Signal durchgeführt wird, das mit einer Lichtemission der Laserdiode korreliert ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der diversen Aspekte ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Fig.1 eine perspektivische Ansicht eines Lasermoduls mit einem Aufsatz (Submount) gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht des Lasermoduls aus Fig. 1 in einer sich durch die Befestigungslöcher des Flansches in Fig. 1 erstreckenden Ebene;
Fig. 3 eine Draufsicht auf das Lasermodul aus Fig. 1 ;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht des Lasermoduls aus Fig. 1 , aber in einer sich durch die Linie B-X-B in Fig. 3 erstreckenden (geknickten) Ebene;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht nur einer Hülse des Aufsatzes aus Fig. 1 ;
Fig. 6 eine Querschnittsansicht der Hülse aus Fig. 5; Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Tragrings des Aufsatzes gemäß dem Ausführungsbeispiel;
Fig. 8 eine Draufsicht auf den zweiten Tragring aus Fig. 7;
Fig. 9 ein Querschnitt durch den Tragring aus Fig. 7;
Fig. 10 ein weiterer Querschnitt durch den T ragring aus Fig. 7 in einer zu Fig. 10 senkrechten Ebene.
Bevorzugte Ausführungsform (en) der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ist zu berücksichtigen, dass die vorliegende Offenbarung der verschiedenen Aspekte nicht auf die Details des Aufbaus und der Anordnung der Komponenten beschränkt ist, wie sie in der nachfolgenden Beschreibung und in den Figuren dargestellt sind. Die Ausführungsbeispiele können auf verschiedenen Wegen in die Praxis umgesetzt oder ausgeführt werden. Es ist des Weiteren zu berücksichtigen, dass die hier verwendete Ausdrucksweise und Terminologie lediglich zum Zweck der konkreten Beschreibung verwendet wird und diese sollten nicht durch den Fachmann als solche in einschränkender Weise ausgelegt werden. Ferner bezeichnen in nachfolgender Beschreibung gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ausführungsbeispielen oder Figuren gleiche oder ähnliche Merkmale oder Gegenstände, so dass in einigen Fällen auf eine wiederholte detaillierte Beschreibung derselben verzichtet wird, um die Kompaktheit und Übersichtlichkeit der Darstellung zu bewahren.
Ein Ausführungsbeispiel eines Lasermoduls 1 mit Aufsatz 10 und Laserdiode 90 einschließlich jeweiliger Komponenten ist in den Figuren 1 bis 10 gezeigt. Die Figuren 1 bis 4 zeigen das Lasermodul 1 als Ganzes, während in den Figuren 5 und 6 eine Hülse 20 des Aufsatzes 10 und in den Figuren 7 bis 10 Details eines zweiten Tragrings 50 des Aufsatzes 10 dargestellt sind. Wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, weist das Lasermodul 1 einen Aufsatz 10 und eine Laserdiode 90 auf. Der Aufsatz 10 umfasst als einzelne Komponenten eine Hülse 20, einen ersten Tragring 30, ein als Kollimationslinse ausgebildetes erstes optisches Element 40, ein erstes Federelement 34, einen zweiten Tragring 50, ein als Volumen-Bragg-Gitter ausgebildetes zweites optisches Element 60, und ein zweites Federelement 70, die nachfolgend im Detail beschrieben werden.
Die Laserdiode 90 umfasst einen aus einem Substrat 91 und Kontaktanschlüssen 98 bzw. Pins gebildeten Sockel, ein Gehäuse 92 sowie einen Halbleiterchip 95, welcher die eigentliche Laserdiode mit innerem Resonator (internal cavity) ausbildet. Die Wirkungsweise der Laserdiode bzw. des Halbleiterchips 95 ist die eines Kantenemitters. Wird der Halbleiterchip 95 über die Kontaktanschlüsse 98 über nicht gezeigte Verbindungsleitungen mit Leistung versorgt, so emittiert er eine schmalbandige Laserstrahlung aus seiner als Auskoppelfläche dienenden Kantenoberfläche 96. Der Halbleiterchip 95 ist beispielsweise senkrecht auf der Oberfläche 94 des Substrats 91 platziert. Nicht dargestellt ist eine optionale Fotodiode, anhand welcher in bekannter Weise die Leistungsversorgung geregelt werden kann, sodass ein möglichst konstanter Lichtstrom erfolgt. Im Fall der Fotodiode kann ein dritter Kontaktanschluss (nicht gezeigt) vorgesehen sein. Das Gehäuse 92 ist auf der Oberfläche 94 des Substrats 91 vorgesehen und schützt den Halbleiterchip 95 sowie gegebenenfalls weitere Komponenten. In dem Gehäuse 92 ist stirnseitig eine Öffnung bzw. Fenster 93 eingerichtet, durch die/das die aus der Kantenoberfläche 96 emittierte Laserstrahlung austreten kann. Bei der Laserdiode 90 kann es sich um ein auf dem Markt erhältlichen Baustein, beispielsweise mit TO 38-, TO 56- oder TO 90-Gehäuse handeln. Andere Typen sind aber genauso möglich. Der Halbleiterchip 95 ist beispielsweise eingerichtet, Licht im Infrarot, visuellen oder ultravioletten Wellenlängenbereich zu emittieren.
Die Hülse 20 besitzt einen im wesentlichen zylindrischen Aufbau mit einem zylindrischen Hülsenabschnitt 21 und einem Flanschabschnitt 22. Der Flanschabschnitt 22 legt einen proximalen Endabschnitt 26 des Aufsatzes 10 fest, in welchem die Laserdiode 90 aufgenommen werden kann, wie in Fig. 2 zu erkennen ist. Der zylindrische Hülsenabschnitt 21 erstreckt sich von dem proximalen Endabschnitt 26 bzw. dem Flanschabschnitt 22 in Richtung zu einem distalen Endabschnitt 27. Der zylindrische Hülsenabschnitt 21 ist in Röhrenform ausgebildet und legt eine Mittenachse X fest. Im Bereich des proximalen Endabschnitts 26 besitzt der zylindrische Hülsenabschnitt 21 eine als Bohrung ausgebildete Innenwand 262 und daran über eine stufenartige Anschlagfläche 272 angrenzend zum distalen Endabschnitt 27 hin besitzt der zylindrische Hülsenabschnitt 21 eine ebenfalls zylindrische Innenwand 271. Der Durchmesser der zylindrischen Innenwand 271 ist größer als der Durchmesser der Innenwand 262, so dass die Wandstärke im speziellen Ausführungsbeispiel weniger als 0,5 mm beträgt. Die Innenwand 271 und die Innenwand 262 besitzen beide die Mittenachse X als Symmetrieachse. Direkt am proximalen Endabschnitt 26 erstreckt sich zwischen der Innenwand 262 und einer proximalen Stirnfläche 225 der Hülse 20 eine ebenfalls als Bohrung ausgebildete ringförmige Innenwand 261, deren Durchmesser wiederum größer ist als derjenige der Innenwand 262. Die entsprechende Bohrung dient zur Aufnahme des Substrats 91 der Laserdiode 90, und zwar so, dass sich der Halbleiterchip 95 innerhalb des von der Innenwand 262 begrenzten Raums von der Substratoberfläche 94 parallel zu und entlang der Mittenachse X erstreckt, wobei seine Auskoppelfläche bzw. Kantenoberfläche 96 senkrecht zur Mittenachse X steht. Ein Durchmesser der ringförmigen Außenwand 97 des Substrats 91 entspricht dabei dem Durchmesser der ringförmigen Innenwand 261. Die Laserdiode 90 kann dabei durch Presspassung eingefügt sein, um das Lasermodul 1 auszubilden, oder aber mit geringem Spiel in der Passbohrung, worin die Laserdiode 90 durch 3 Schweißpunkte fixiert ist. Letzteres bietet den Vorteil einfacher Montierbarkeit, die verschiedenen Ausführungsbeispiele sind aber nicht durch die spezielle Ausführung der Anbringung beschränkt.
Der Flanschabschnitt 22 der Hülse 20 ist mit einer oberen Oberfläche 224 und einer unteren Stirnfläche 225 im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet und besitzt umlaufend einen zylindrischen Abschnitt 223 sowie einen Justageabschnitt 222, der zum Ausrichten des Lasermoduls 1 im verbauten Zustand dienen kann. Löcher 221 können zur Befestigung dienen, beispielsweise in einer Beleuchtungsvorrichtung (z.B. Scheinwerfer) oder in einer Projektionsvorrichtung eines Heads-Up Displays eines Fahrzeugs. Der erste Tragring 30 ist in dem von der Innenwand 271 begrenzten Raum nahe der Anschlagfläche 272 an der Hülse 20 angebracht. Mit anderen Worten, der erste Tragring 30 ist benachbart zu dem proximalen Endabschnitt 26 angeordnet, wobei der Begriff "benachbart" einen gewissen Abstand mit einbezieht, der sich aus der räumlichen Beziehung zwischen der im proximalen Endabschnitt aufgenommenen Laserdiode 95 und dem im ersten Tragring 30 aufgenommenen ersten optischen Element 40 (Kollimationslinse) ergibt, siehe den Abstand d in Fig. 2. Der erste Tragring 30 besitzt eine zylindrische Außenwand 31 mit einem Durchmesser, welcher ungefähr demjenigen Durchmesser der Innenwand 271 entspricht, wobei durch eine geringfügige, beabsichtigte Toleranz ein gewisser Luftspalt zwischen der Außenwand 31 und der Innenwand 271 verbleibt. Der erste Tragring 30 besitzt eine Symmetrieachse, die bei dem in der Hülse 20 verbauten Zustand mit deren Mittenachse X zusammenfällt. Ferner besitzt der erste Tragring 30 eine ringförmige Innenwand 33 sowie eine Öffnung 32 in einer Bodenfläche, deren Durchmesser geringer ist als der Durchmesser der Innenwand 33, sodass das erste optische Element 40 (im Ausführungsbeispiel eine Kollimationslinse) in einem von der Innenwand 33 und der Bodenfläche gebildeten Innenraum aufgenommen und gehalten werden kann. Die Mittenachse X der Hülse sowie eine damit zusammenfallende optische Achse erstrecken sich durch die Öffnung 32 und das vom ersten Tragring 30 aufgenommene erste optische Element 40.
In Fig. 2 andeutungsweise zu erkennen ist, ist auf dem ersten Tragring 30, genauer auf dessen umlaufender oberer Randfläche, die die Außenwand 34 mit der Innenwand 33 verbindet, ein ringförmiges erstes Federelement 34 angeordnet, das Federlaschen (nicht gezeigt) besitzt, die sich nach innen in Richtung zur Mittenachse X erstrecken und auf einen peripheren oberen Oberflächenabschnitt des ersten optischen Elements 40 drücken, um dieses am Ort und Stelle zu halten.
Wie in den Figuren 5 und 6 mit Bezug auf die Hülse 20 zu sehen ist, sind in der Wand des zylindrischen Hülsenabschnitts 21 im Bereich der Innenwand 271 mit dem größeren Durchmesser zum distalen Endabschnitt 27 hin drei Langlöcher 25 ausgeschnitten, deren Längsachse parallel zur mitten Achse X ist. Über den Außenumfang der Hülse 20 hinweg sind sie in gleichen Winkelabständen zueinander ausgebildet. Die Langlöcher 25 dienen dazu, in dem durch die Innenwand 271 gebildeten Innenraum solche Elemente wie den ersten Tragring 30 und den zweiten Tragring 50 anhand externer Vorrichtungen zu positionieren. Insbesondere können Haltearme durch die Langlöcher 25 hindurchgreifen und die im Innenraum befindlichen Tragringe 30, 50 halten oder positionieren. Ferner sind - in Umfangsrichtung der Hülse 20 vom jeweiligen Langloch 25 beanstandet - drei Löcher 211 zum Schweißen des ersten Tragrings 30 bzw. zum Befestigen des ersten Tragrings 30 an der Innenwand 271 der Hülse 20 vorgesehen. Diese drei Löcher 211 befinden sich an einer Position entlang der Mittenachse X, an welcher sich auch ein proximales Ende des jeweiligen Langlochs 25 befindet. Die Positionen der 3 Löcher 211 geben somit die ungefähre axiale Position einer 3-Punkt-Befestigung des ersten Tragrings in der Hülse 20 vor. Durch die axiale Länge der Langlöcher 25 und die axiale Ausdehnung der Außenfläche 31 des ersten Tragrings 30 ist ein Spielraum für die genaue Justierung der axialen Position des ersten optischen Elements 40 in dem ersten Tragring 40 möglich, die weiter unten beschrieben wird.
Der zweite Tragring 50 ist im distalen Endabschnitt 27 der Hülse 20 auf der von der Laserdiode 90 abgewandten Seite des ersten optischen Elements 40 angeordnet. Der grundsätzliche Aufbau des zweiten Tragring 50 ist ähnlich wie derjenige des ersten Tragring 30, besitzt jedoch einige wichtige Unterschiede, wie insbesondere in den Figuren 7 bis 10 zu erkennen ist. Zum einen besitzt der zweite Tragring 50 einen Außenwandabschnitt 51 , der im gezeigten Ausführungsbeispiel durchgehend sphärisch, in anderen Ausführungsbeispielen zumindest teilweise sphärisch ausgebildet ist. In Fig. 9 ist dies durch einen Kugelradius R angedeutet. Der Kugelradius R kann dem halben Durchmesser der Innenwand 271 der Hülse 20 entsprechen. Aufgrund dieser Eigenschaft kann der zweite Tragring 50 nicht nur in axialer Richtung entlang der Mittenachse X verschoben werden, sondern es kann durch eine Drehung um eine zur Mittenachse senkrechte Achse auch eine Feineinstellung seines Neigungswinkels a (siehe insbesondere Fig. 2) gegenüber der Mittenachse X eingestellt werden. Eine Drehung nur um die X-Achse ist natürlich grundsätzlich auch möglich. Der zweite Tragring 50 besitzt eine flache Plattenform mit einer oberen Oberfläche 58 sowie darauf angeordneten und jeweils paarweise einander gegenüberliegenden Vorsprüngen 53, 54. Die Vorsprünge 53, 54 tragen dabei auch zur Bildung des sphärischen Außenwandabschnitts 51 bei. Es ist auch möglich, die Vorsprünge 53, 54 miteinanderzu verbinden, um einen rundherum laufenden Vorsprung zu erhalten. In der oberen Oberfläche 58 ist ein sich mit seiner Längsachse zwischen den Vorsprüngen 53 erstreckende, als Langloch ausgebildete Öffnung 52 ausgeschnitten, die in einer solchen Weise mittig in dem zweiten Tragring 50 angeordnet ist, dass sich in dem in der Hülse 20 verbauten Zustand die Mittenachse X bzw. die optische Achse des optischen Systems durch die Öffnung 52 erstreckt.
In Fig. 2 ist der Halbleiterchip 95 und die Kantenoberfläche 96 (Auskoppelfläche) von der (seitlichen) Kante des Chips her betrachtet (edge-on). Das bedeutet, dass sich die sogenannte "fast axis" mit größerer Divergenz in Fig. 2 in der Zeichenebene befindet, während die sogenannte "slow axis" mit geringer Divergenz senkrecht zur Zeichenebene liegt. Entsprechend wird der zweite Tragring 50 relativ zum Halbleiterchip 95 so ausgerichtet, dass die Längsachse der Öffnung 52 in etwa parallel zur "fast axis" mit größerer Divergenz liegt, d. h. in Fig. 2 ebenfalls innerhalb der Zeichenebene.
In dem zweiten Tragring 50 wird auf der oberen Oberfläche 58 ein rechteckförmiger Raum durch Anschlagflächen 56, 57 an den Vorsprüngen 53, 54 ausgebildet. In dem solchermaßen festgelegten Raum wird, wie in den Figuren 1 bis 4 zu erkennen ist, ein Volumen-Bragg-Gitter (VBG-Gitter) bzw. ein wellenlängenselektives Reflexionsgitter als Beispiel eines zweiten optischen Elements 60 angeordnet. Der Halbleiterchip 95 der Laserdiode 90, die Kollimationslinse als erstes optisches Element 40 und das VBG-Gitter als zweites optisches Element 60 sind räumlich so zueinander positioniert und wirken so zusammen, dass sie wie eingangs beschrieben als Laserdiode mit externem Resonator (engl.: externa! cavity diode laser) fungieren entlang der Mittenachse X bzw. der optischen Achse wird dadurch ein Laserstrahl mit einem sehr schmalbandigen und temperaturstabilen Emissionspektrum aus dem Lasermodul 1 emittiert. Zu diesem Zweck ist jedoch eine spezielle Befestigung des zweiten Tragrings 50 vorgesehen. Wie am besten in den Figuren 1 , 5 und 6 zu erkennen ist, sind im zylindrischen Hülsenabschnitt 21 von einem Randabschnitt 273 am distalen Endabschnitt 27 her drei Paare von Ausschnitten 231 ( cutouts ) in axialer Richtung mit einer solchen Länge bereitgestellt, dass sich jeweils zwischen den Ausschnitten 231 eines Paares ein schmaler Steg als eines von drei flexiblen Elementen 23 in der entgegengesetzten Richtung bis zu dem Randabschnitt 273 erstreckt. Im speziellen Ausführungsbeispiel sind die Stege bei konstanter Breite 8 mm lang. Die drei flexiblen Elemente 23 sind in der Umfangsrichtung der Hülse 20 in gleichen Winkelabständen zueinander angeordnet, d.h., in Abständen von 120°. Die Breite der Stege bzw. der flexiblen Elemente 23 ist so gering, dass sich die Krümmung der Fläche um die Mittenachse X herum nicht stabilisierend bemerkbar macht, im speziellen Ausführungsbeispiel 1,5 mm. Aufgrund dessen sind die flexiblen Elemente 23 durchaus zerstörungsfrei biegbar. Insbesondere sind sie mit einer nach innen zur Mittenachse X hin gerichteten Vorspannkraft Fb beaufschlagt, die ausreicht, die flexiblen Elemente 23 um einen Abstand gegenüber der Innenwand 271 des zylindrischen Hülsenabschnitts 21 nach innen zu biegen, wenn der zweite Tragring 50 nicht zwischen den flexiblen Elementen 23 geklemmt wäre, im speziellen Ausführungsbeispiel um einen Abstand von 3 mm. Aufgrund dieser Vorspannkraft Fb wird allerdings der zwischen den flexiblen Elementen 23 geklemmte zweite Tragring 50 reibschlüssig, d.h. spaltfrei gehalten, bevor er stoffschlüssig fixiert wird.
Wie in Fig. 5 dargestellt ist, bleiben zwischen den Paaren von Ausschnitten 231 breitere, starre Abschnitte 28 zurück, die sich nach wie vor bis zum Randabschnitt 273 erstrecken und ihre Starrheit aufgrund der größeren Breite in Umfangsrichtung mit der dadurch erhaltenen Krümmung beibehalten, auch wenn sie durch die Langlöcher 25 teilweise geschwächt sind. Insbesondere sind die starren Abschnitte 28 aber nicht mit einer Vorspannkraft in Richtung zur Mittenachse X versehen. Sodass sie allein deshalb schon nicht auf die sphärischen Außenwandabschnitte 51 des zweiten Tragrings 50 drücken. Mithin verbleibt zwischen den starren Abschnitten 28 und dem zweiten Tragring 50 zumindest ein Luftspalt 24 (angedeutet in Fig. 1). Die flexiblen Elemente 23 besitzen jeweils eine Innenwand mit einer Kontaktfläche 232, die mit der Vorspannkraft Fbauf den zweiten Tragring 50 drückt. Die Vorspannkraft Fb kann dadurch realisiert sein, dass in einem vorab durchgeführten Prozess nach dem Ausbilden der flexiblen Elemente 23 durch die Ausschnitte 231 die flexiblen Elemente 23 durch eine plastische Verformung (zum Beispiel unter Temperatureinwirkung) mit einem freien zweiten Ende 239 nach innen verbogen werden, dass einem ersten Ende 238 gegenüberliegt, über welches das flexible Element 23 im Ausführungsbeispiel integral mit dem übrigen zylindrischen Flülsenabschnitt 21 verbunden ist.
Wie besonders gut in den Figuren 1 und 3 zu erkennen ist, wird das zweite optische Element 60 durch das zweite Federelement 70 an Ort und Stelle gehalten. Das zweite Federelement 70 wird durch einen flachen Ringabschnitt 71 und im speziellen Ausführungsbeispiel durch vier Federlaschen 72 gebildet, die auf das zweite optische Element 60 drücken, wenn das zweite Federelement 70 auf einer Federaufnahmefläche 59 des zweiten Tragrings 50 angeordnet wird und das zweite optische Element 60 im zweiten Tragring 50 positioniert ist. Die genaue Positionierung des zweiten Federelements 70 auf dem zweiten Tragring 50 wird durch Randanschläge 591 und Justagevorsprünge 592 bewerkstelligt, die in entsprechende Justageausnehmungen 73 des zweiten Federelements 70 eingreifen, siehe insbesondere die Figuren 3, 7 und 8. Die zwei Vorsprünge 54 weisen ferner zu den Anschlagflächen 57 hin geneigte Oberflächen 55 auf, die ein Platzieren oder Entnehmen des zweiten optischen Elements erleichtern.
Die Befestigung des zweiten Tragrings 50 an den flexiblen Elementen 23 bzw. an deren Kontaktflächen 232 erfolgte mit Vorteil durch Laserschweißen an den von den Ausschnitten her zugänglichen Kanten der flexiblen Elemente 23. Durch den spaltfreien Kontakt zwischen dem sphärischen Außenwandabschnitt 51 des zweiten Tragrings 50 und der Kontaktfläche an der Innenwand des flexiblen Elements 23 braucht kein Zusatzstoff beim Schweißen verwendet zu werden. Ferner braucht auch nicht durch die gesamte Wanddicke hindurchgeschweißt werden, sondern der beschriebene seitliche Zugang über die sechs Ausschnitte 231 reicht aus. Somit ist auch der Energieeintrag mehrfach geringer. Infolgedessen ist auch der mechanische Verzug nach durchgeführter Justierung des zweiten optischen Elements 60 und Abkühlung der Schweißstelle deutlich geringer als im Fall beispielsweise von Widerstandsschweißen. Letzteres ist in der Fertigung von Aufsätzen eher üblich angewendet wird, weil es kostengünstiger ist.
Wie relevant die genaue Positionierung, d.h. insbesondere auch der Neigungswinkel a des Volumen-Bragg-Gitters als zweites optisches Element 60 zur Ausbildung des externen Resonators ist, zeigt eine durchgeführte Messung: mit einem optimal justierten zweiten optischen Element 60 konnte bei Verwendung des oben beschriebenen Aufbaus und unter Einsatz von Laserschweißen bei einer Zentralwellenlänge des vom Lasermodul 1 emittierten Laserstrahls von etwa 457,5 nm eine Bandbreite des Emissionsspektrums von unter 0,2 nm erhalten werden. Im Vergleichsbeispiel mit ähnlichem Aufbau, aber ohne flexible Elemente 23 und ohne Laserschweißen hatte das Emissionsspektrum eine Bandbreite von ca. 2 nm. Auch die Zentralwellenlänge war im Vergleichsbeispiel leicht verschoben.
Es wurde herausgefunden, dass Bandbreiten von 0,2 nm oder sogar darunter durchaus erzielbar sind, und dass die dafür erforderliche Genauigkeit der Justage +/- 0,01 ° beträgt, d.h. - vorausgesetzt der Justageprozess erreicht diese Genauigkeit - der nicht kontrollierbare Verzug durch thermischen Energieeintrag und Abkühlen nach dem Fixieren des zweiten Tragrings 50 muss ebenfalls unter diesem Wert gehalten werden, welches durch die vorgeschlagene Lösung gelingen kann.
Es ist anzumerken, dass der Aufsatz oder nur Teile davon vorzugsweise aus einem schweißbaren Material, also vorzugsweise ein Metall, insbesondere Stahl, hergestellt sein kann.
Nachfolgend wird ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Herstellen eines Lasermoduls ähnlich wie dem oben beschriebenen dargestellt:
Zunächst werden die Laserdiode 90 und ein Rohling (aber mit den Löchern und dem Flansch) der Hülse 20 bereitgestellt. Die Laserdiode wird in dem proximalen Endabschnitt 26 gesetzt, ausgerichtet (vgl. Bohrung 263 in Endabschnitt 26 in Fig. 6 und nicht näher bezeichnete, aber sichtbare Ausnehmung in der Außenwand 97 des Substrats 91 auf der linken Seite in Fig. 2) und durch Laserpunktschweißen befestigt. Die "fast axis" des Halbleiterchips 95 der Laserdiode 90 ist dann auf die beiden Befestigungslöcher 221 im Flansch ausgerichtet. In die Hülse 20 sind bereits die drei Paare von Ausschnitten 231 ausgeschnitten, so dass die 8 mm langen und 3 mm breiten sowie 1,5 mm tiefen Stege als flexible Elemente 23 ausgebildet sind.
Der erste Tragring 30 mit der von diesem gehaltenen Kollimationslinse als erstes optisches Element 40 wird eingesetzt. Das Lasermodul 1 mit dem noch nicht fertiggestellten Aufsatz 10 wird gegenüber einem Kamerasystem (nicht dargestellt) positioniert und die axiale Position bei eingeschalteter Laserdiode justiert, wobei das durch die Kamera aufgenommene Bild im Hinblick auf die Qualität der erzielten Kollimation untersucht wird und die axiale Position abhängig von dieser Qualität eingestellt wird. Der erste Tragring 30 wird dabei von einer externen Haltevorrichtung (nicht gezeigt) durch die Langlöcher 25 hindurch gehalten und justiert.
Das erste Federelement 34 ist dabei schon aufgesetzt. Der erste Tragring 30 wird als Ganzes durch die Löcher 211 hindurch mittels Kantenschweißen an der Hülse befestigt. Die Kollimationslinse 40 ist nun sicher im ersten Tragring 30 gehalten.
Der zweite Tragring 50 mit dem VBG-Gitter (zweites optisches Element 60) wird vom distalen Endabschnitt her in die Hülse 20 eingesetzt. Die flexiblen Elemente 23 bzw. Stege sind bereits vorher nach innen zur Mittenachse X verformt (verbogen). Durch die sphärische Außenform des zweiten Tragrings 50, der als Einführschräge wirkt, kann dieser dann einfach eingedrückt werden. Dies geschieht nun auch, indem der zweite Tragring 50 zwischen die fleixblen Elemente 23 geschoben wird und somit diese aufgrund seines Durchmesser nach außen drückt. Der zweite Tragring 50 wird nun gegenüber einem Spektrometer (nicht gezeigt) positioniert und bei eingeschalteter Laserdiode 90 die erste Beugungsordnung spektral analysiert, d.h. insbesondere auf eine Bandbreite des Emissionsspektrums hin untersucht. Gleichzeitig wird der zweite Tragring 50 von einem Hexapod in verschiedenen Freiheitsgraden (Translation in axialer Richtung entlang Mittenachse, Drehung bzw. Neigungswinkelanpassung) bewegt. Die Bandbreite wird jeweils ausgewertet und eine optimale Justageposition ermittelt.
Der zweite Tragring 50 wird in dieser (optimalen) Position reibschlüssig von den flexiblen Elementen gehalten. Anschließend erfolgt ein Laser-Kantenschweißen des zweiten Tragrings 50 an den flexiblen Elementen 23 seitlich von den Ausschnitten 23 aus, so dass der zweite Tragring 50 fixiert ist. Vor dem Einsetzen wurde bereits das zweite Federelement 70 auf den zweiten Tragring 50 mit dem VBG 60 zwischen sich aufgesetzt und an mindestens drei Punkten durch Laserpunktschweißen fixiert.
Wie beschrieben sind verschiedene Modifikationen möglich, ohne von dem in den beigefügten Ansprüchen festgelegten Schutzumfang abzuweichen. Beispielsweise können anstatt der einseitig offenen Stege (flexibel Elemente 23) diese auch an beiden Enden integral mit den übrigen Hülsenbestandteilen ausgeführt sein, wobei lediglich ein Mittelteil eine Vorspannkraft nach innen ausübt. Ferner kann durchaus auch die Anzahl und Position der flexiblen Elemente abweichen. Außerdem können die Ausschnitte 231 auch in der Hülsenwand U-förmig ausgeführt sein, d.h. die flexiblen Elemente erstrecken sich nicht mehr bis zum Randabschnitt 273. In diesem Fall können sich die flexiblen Elemente 23 auch in Richtung des proximalen Endabschnitts erstrecken anstatt wie oben beschrieben umgekehrt. Ebenso braucht die Breite der flexiblen Abschnitte nicht unbedingt konstant zu sein - beispielsweise können die flexiblen Elemente eine Dreiecksform besitzen oder Rundungen aufweisen. Ferner können die flexiblen Elemente auch nicht integral mit dem Hülsenkörper ausgeführt sein. Ferner kann anstatt der dargestellten Konvexlinse als Kollimationslinse für das erste optische Element auch holografische Elemente (z.B. Fresnellinsen) als Kollimationslinsen eingesetzt werden. Ferner sind auch Alternativen zum Volumen-Bragg-Gitter als zweites optisches Element denkbar (andere Typen von wellenlängensensitiven Bragg-Gittern). In diesem Sinne sind viele weitere Abwandlungen möglich. So kann die Hülse 20 auch ein im Durchmesser größeres Rohr sein, das aus federhartem Material besteht, sich aber noch biegen lässt. Dieses Rohr kann an drei Punkten nach innen gedrückt werden und so eine verrundete dreiecksform bilden. Der erzielbare Effekt ist derselbe, der zweite Tragring 50 wird spielfrei gehalten. Die drei nach innen gedrückten Punkte bilden jeweils flexible Elemente mit entsprechenden Kontaktflächen für den zweiten Tragring 50.
BEZUGSZEICH EN LISTE : Lasermodul Aufsatz Hülse zylindrischer Hülsenabschnitt Löcher zum Schweißen des ersten Tragrings Loch zum Halten des zweiten Tragrings Flanschabschnitt Befestigungsloch Justageabschnitt zylindrischer Abschnitt obere Oberfläche Stirnfläche flexibles Element Ausschnitt Kontaktpunkt erstes Ende zweites Ende Spalt Langloch proximales Ende ringförmige Innenwand Innenwand distales Ende Innenwand Anschlagfläche Randabschnitt starrer Hülsenabschnitt erster Tragring zylindrische Außenwand Öffnung (für den Laserstrahl) ringförmige Innenwand erstes Federelement first optical element
(Kollimationslinse) zweiter Tragring sphärischer Außenwandabschnitt Öffnung (für den Lasertrahl) erster Vorsprung zweiter Vorsprung geneigte Fläche erste Anschlagfläche zweite Anschlagfläche obere Oberfläche Federaufnahmeoberfläche Randanschlag Justagevorsprung zweites optisches Element zweites Federlement Ringabschnitt Federlasche Justageausschnitt
Laserdiode
Substrat 92 Gehäuse
93 Austrittsöffnung für Lasertrahl
94 Substratoberfläche
95 Kantenemitter (Chip)
96 Austrittsoberfläche
97 ringförmige Außenwand
98 Kontaktanschlüsse
R Radius der vom
Außenwandabschnitt des zweiten Tragrings festgelegten Sphäre
X Mittenachse

Claims

Ansprüche:
1. Aufsatz (10) für ein eine Laserdiode (90) aufweisendes Lasermodul, umfassend: eine Hülse (20) mit einem proximalen Endabschnitt (26) und einem distalen Endabschnitt (27) und einer sich von dem proximalen Endabschnitt (26) zum distalen Endabschnitt (27) erstreckenden Mittenachse (x); wobei der proximale Endabschnitt (26) zur Aufnahme wenigstens einer Laserdiode (90)eingerichtet ist; wobei die Hülse (20) eine Anzahl von flexiblen Elementen (23) umfasst, die sich in einer im Wesentlichen axialen Richtung der Hülse (20) erstrecken; einen ersten Tragring (30) mit einem von diesem gehaltenen ersten optischen Element (40), wobei der erste Tragring (30) benachbart zu dem proximalen Endabschnitt (26) in der Hülse befestigt ist; einen zweiten Tragring (50) mit einem von diesem gehaltenen zweiten optischen Element (60), wobei der zweite Tragring (50) durch die flexiblen Elemente (23) gehalten ist; wobei jedes der flexiblen Elemente (23) in radialer Richtung zur Mittenachse (X) hin mechanisch vorgespannt ist und somit eine Vorspannkraft (Fb) auf den zwischen den flexiblen Elementen (23) gehaltenen zweiten Tragring (50) ausübt.
2. Aufsatz (10) für ein Lasermodul gemäß Anspruch 1 , wobei der zweite Tragring (50) an zumindest einem der flexiblen Elemente (23) befestigt ist.
3. Aufsatz (10) für ein Lasermodul gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die flexiblen Elemente (23) einstückig mit der Hülse (20) ausgebildet sind.
4. Aufsatz (10) für ein Lasermodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die flexiblen Elemente (23) als Stege ausgebildet sind, die jeweils ein mit der
Hülse (20) verbundenes erstes Ende (238) und ein gegenüberliegendes freies zweites Ende (239) besitzen, in dessen Umgebung die Stege jeweils den zweiten Tragring (50) kontaktieren, auf diesen drücken und an diesem befestigt sind.
5. Aufsatz (10) für ein Lasermodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die flexiblen Elemente (23) eine Länge von nicht weniger als 4 mm und/oder nicht mehr als 20 mm besitzen.
6. Aufsatz (10) für ein Lasermodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die flexiblen Elemente (23) eine über deren Länge hinweg im Wesentlichen konstante Breite in einer Umfangsrichtung der Hülse (20) um die Mittenachse (X) von nicht weniger als 1 mm und/oder nicht mehr als 3 mm besitzen.
7. Aufsatz (10) für ein Lasermodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die flexiblen Elemente (23) eine Dicke in radialer Richtung zur Mittenachse (X) hin von nicht weniger als 0,2 mm und/oder nicht mehr als 1 mm, vorzugsweise nicht mehr als 0,5 mm, besitzen.
8. Aufsatz (10) für ein Lasermodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die flexiblen Elemente (23) an dem zweiten Tragring (50) durch eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere Laserpunktschweißen, Widerstandsschweißen, oder Löten befestigt sind, oder die flexiblen Elemente (23) an dem zweiten Tragring (50) durch eine kraftschlüssige Verbindung befestigt sind, insbesondere durch Schrauben oder Nieten.
9. Aufsatz (10) für ein Lasermodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der erste Tragring (30) an der Hülse durch Lichtbogenschweißen, insbesondere
Micro-Wolfram-Inertgas-Schweißen oder Plasmaschweißen, oder Widerstandsschweißen befestigt ist.
10. Aufsatz (10) für ein Lasermodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Anzahl der flexiblen Elemente (23) drei oder mehr beträgt.
11. Aufsatz (10) für ein Lasermodul gemäß Anspruchl 0, wobei die Anzahl flexiblen Elemente (23) nicht mehr als sechs, insbesondere nicht mehr als vier beträgt.
12. Aufsatz (10) für ein Lasermodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei die in radialer Richtung nach innen zur Mittenachse (X) hin gerichtete
Vorspannkraft (Fb) der flexiblen Elemente (23) so eingerichtet ist, dass sich die flexiblen Elemente (23) gegenüber einer Innenwand (271 ) der Hülse (20) um nicht mehr als 0,4 mm und/oder nicht weniger als 0,2 mm nach innen verbiegen können.
13. Aufsatz (10) für ein Lasermodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das erste optische Element (40) eine Kollimationslinse ist.
14. Aufsatz (10) für ein Lasermodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das zweite optische Element (60) ein wellenlängenselektiver Reflektor zum
Aufbau eines externen Resonators in Bezug auf die Laserdiode (90) ist.
15. Aufsatz (10) für ein Lasermodul gemäß Anspruch 14, wobei der wellenlängenselektive Reflektor ein Volumen-Bragg-Gitter ist.
16. Aufsatz (10) für ein Lasermodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Hülse (20) zur Aufnahme einer Licht im visuellen, infraroten oder ultravioletten Wellenlängenbereich abstrahlenden Laserdiode (90), insbesondere mit TO 38-, TO 56- oder TO 90-Gehäuse eingerichtet ist.
17. Aufsatz (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 in Kombination mit der wenigstens einen Laserdiode (90) zur Ausbildung eines Lasermoduls (1).
18. Verfahren zum Herstellen eines Lasermoduls, umfassend die Schritte: Bereitstellen einer Laserdiode (90) sowie einer zur Aufnahme optischer
Elemente eingerichteten Hülse und Zusammenbauen dieser Komponenten;
Positionieren und Ausrichten eines eine Kollimationslinse als erstes optisches Element (40) haltenden ersten Tragrings (30) in der Hülse (20);
Befestigen des ersten Tragrings (30) an der Hülse (20); Positionieren und Ausrichten eines ein Volumen-Bragg-Gitter als zweites optisches Element (60) haltenden zweiten Tragrings (50) in der Hülse (20) bei eingeschalteter Laserdiode (90) abhängig von einer durch ein Spektrometer bestimmten Bandbreite des von dem Lasermodul emittierten Spektrums;
Befestigen des zweiten Tragrings (50) an der Hülse (20) .
19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei: das Positionieren und Ausrichten des ersten Tragrings (30) und/oder des zweiten Tragrings (50) durch einen Hexapod durchgeführt werden.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, ferner umfassend: spaltfreies, reibschlüssiges Halten des zweiten Tragrings (50) durch eine Anzahl in radialer Richtung nach innen zu einer Mittenachse (X) der Hülse (20) vorgespannter erster flexibler Elemente (23) der Hülse (20), während und nach dem Positionieren und Ausrichten.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei das Befestigen des zweiten Tragrings (50) an den flexiblen Elementen (23) der Hülse (20) durch ein Schweißen ohne Zusatzwerkstoff durchgeführt wird, insbesondere Laserschweißen.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21 , wobei das Positionieren und Ausrichten des die Kollimationslinse als erstes optisches Element (40) haltenden ersten Tragrings (30) in dem Aufsatz bei eingeschalteter Laserdiode (90) abhängig von einem Signal durchgeführt wird, das mit einer Lichtemission der Laserdiode (90) korreliert ist.
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