DE102012025494B4 - Diode laser module and method for producing a diode laser module - Google Patents
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Abstract
Diodenlasermodul (1) umfassend ein Laserdiodenelement (10), einen ersten mit der p-Seite (14) des Laserdiodenelements thermisch verbundenen Kühlkörper (20), einen zweiten mit der n-Seite (15) des Laserdiodenelements thermisch verbundenen Kühlkörper (30), wobei der zweite Kühlkörper mit dem ersten Kühlkörper mittels eines elektrisch isolierenden Fügemittels (40) verbunden ist und die Verbindung des zweiten Kühlkörpers mit dem ersten Kühlkörper wenigstens zwei Fügespalte (41, 42) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zu einer optischen Achse (16) senkrechten Schnittebene jeder der zwei Fügespalte eine Verjüngung von außen nach innen aufweist wobei sich die Verjüngung jeweils über die gesamte Breite des Spaltes erstreckt. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diodenlasermodul (1) mit einem Laserdiodenelement (10) und zwei Kühlkörpern (20, 30), mit welchen die Abwärme vom Laserdiodenelement beidseitig abgeführt werden kann. Der erste Kühlkörper ist mit der p-Seite des Laserdiodenelements thermisch verbunden und der zweite Kühlkörper mit der n-Seite. Der zweite Kühlkörper ist außerdem mit dem ersten Kühlkörper mittels eines elektrisch isolierenden Fügemittels verbunden. Die Verbindung des zweiten Kühlkörpers mit dem ersten Kühlkörper umfasst wenigstens zwei Fügespalte (41, 42) welche wenigstens abschnittsweise eine Verjüngung von außen nach innen aufweisen. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung des Diodenlasermoduls angegeben.Diode laser module (1) comprising a laser diode element (10), a first heat sink (20) thermally connected to the p-side (14) of the laser diode element, a second heat sink (30) thermally connected to the n-side (15) of the laser diode element, wherein the second heat sink is connected to the first heat sink by means of an electrically insulating joining means (40) and the connection of the second heat sink to the first heat sink comprises at least two joining gaps (41, 42), characterized in that in an optical axis (16) vertical sectional plane of each of the two joining gaps has a taper from the outside inwards, the taper extending in each case over the entire width of the gap. The invention relates to a diode laser module (1) with a laser diode element (10) and two heat sinks (20, 30) with which the waste heat can be dissipated from the laser diode element on both sides. The first heat sink is thermally connected to the p-side of the laser diode element and the second heat sink to the n-side. The second heat sink is also connected to the first heat sink by means of an electrically insulating joining means. The connection of the second heat sink to the first heat sink comprises at least two joining gaps (41, 42) which at least in sections have a taper from the outside inwards. Furthermore, a method for producing the diode laser module is specified.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diodenlasermodul mit einem Laserdiodenelement und zwei Kühlkörpern, mit denen die Abwärme des Laserdiodenelements beidseitig abgeführt werden kann nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a diode laser module with a laser diode element and two heat sinks, with which the waste heat of the laser diode element can be dissipated on both sides according to the preamble of
Aus
In
Diese Anordnung hat verschiedene Nachteile. Die beiden Kühlkörper können während der Montage infolge von Toleranzen gegeneinander verrutschen. Die horizontalen Fügespalte stellen keine selbstausrichtende Geometrie dar. Weiterhin ist die Verteilung des flüssigen Klebers während der Montage unbestimmt, da der Fügespalt überall gleich dick ist und die Kapillarkraft im Fügespalt keinen Gradienten aufweist. Da die Kapillarkräfte auf das flüssige Fügemittel im Fügespalt überall gleich groß sind, kann es zu einer zufallsbedingten Verteilung des Fügemittels während der Montage kommen. Bei einer Unterdosierung des Fügemittels kann es über die Länge des Fügespalts zu einzelnen Hohlstellen kommen, wodurch das Diodenlasermodul undicht wird. Außerdem kann das Fügemittel sogar von der Fügestelle wegfließen, insbesondere dann, wenn das Fügemittel bei erhöhter Temperatur ausgehärtet wird. Wenn nämlich das vormontierte Diodenlasermodul mit dem noch flüssigen Kleber auf eine erhöhte Temperatur gebracht wird, kann die Viskosität des Fügemittels zeitweilig abnehmen, was das Wegfließen des Klebers von der Fügestelle begünstigt.This arrangement has several disadvantages. The two heat sinks can slip against each other during assembly due to tolerances. The horizontal joint gaps do not represent a self-aligning geometry. Furthermore, the distribution of the liquid adhesive during assembly is indefinite, since the joint gap is the same everywhere and the capillary force in the joint gap has no gradient. Since the capillary forces on the liquid joining agent in the joining gap are the same everywhere, there can be a random distribution of the joining agent during assembly. If the joining agent is underdosed, individual cavities can occur over the length of the joining gap, as a result of which the diode laser module leaks. In addition, the joining agent can even flow away from the joining point, especially when the joining agent is cured at an elevated temperature. If the preassembled diode laser module with the still liquid adhesive is brought to an elevated temperature, the viscosity of the joining agent can temporarily decrease, which favors the flow of the adhesive away from the joint.
Die Anordnung der Fügespalte nahe der Ebene des Laserbarrens bewirkt, dass beide Kühlkörper ungefähr gleich groß sind und nahezu die gleiche Kühlleistung haben. Da die Abwärme des Laserbarrens zum größeren Teil an der p-Seite des Laserbarrens anfällt, ist ein Wärmestrom zwischen beiden Kühlkörpern notwendig. Deshalb muss ein Wärmeleitkleber verwendet werden, beispielsweise ein keramikgefüllter Epoxidharzkleber mit einer Wärmeleitfähigkeit von über 0.5 W/(m*K). Nachteilig ist, dass preisgünstige Strukturkleber mit guten mechanischen Eigenschaften wegen ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit nicht eingesetzt werden können. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Fügespalt relativ dick sein muss, um Kurzschlüsse zwischen beiden Kühlkörpern, insbesondere an der Außenseite, zu vermeiden. Da der Luftstrom zur Kühlung Partikel trägt, die sich am Fügespalt absetzen können, muss der Fügespalt entsprechend dick gewählt werden. Ein dicker Fügespalt weist aber mechanische Verspannungen auf und neigt zu Rissbildung im ausgehärteten Fügemittel. Dadurch kann die Zuverlässigkeit des Diodenlasermoduls beeinträchtigt sein.The arrangement of the joining gaps near the level of the laser bar means that both heat sinks are approximately the same size and have almost the same cooling capacity. Since most of the waste heat from the laser bar is generated on the p-side of the laser bar, a heat flow between the two heat sinks is necessary. Therefore, a thermal adhesive must be used, for example a ceramic-filled epoxy resin adhesive with a thermal conductivity of over 0.5 W / (m * K). The disadvantage is that inexpensive structural adhesives with good mechanical properties cannot be used because of their low thermal conductivity. Another disadvantage is that the joint gap must be relatively thick in order to avoid short circuits between the two heat sinks, especially on the outside. Since the air flow carries particles for cooling that can settle at the joint, the joint must be chosen accordingly thick. However, a thick joint gap exhibits mechanical tension and tends to crack in the hardened jointing agent. This can affect the reliability of the diode laser module.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein zuverlässiges, preisgünstiges, montagefreundliches Diodenlasermodul mit doppelseitiger Kühlung bereitzustellen, bei dem zwei Kühlkörper zum Einsatz kommen, zwischen denen im Betrieb des Lasermoduls eine elektrische Spannungsdifferenz auftritt. Insbesondere soll die Verteilung des Fügemittels im Fügespalt reproduzierbar sein, das Fügemittel toleranzunkritisch zu dosieren sein, ein Fügemittel ohne spezielle Anforderungen an die Wärmeleitfähigkeit einsetzbar sein, und die Ausrichtung der Kühlkörper zueinander und zum Laserdiodenelement soll einfach zu bewerkstelligen sein. Beim Betrieb des Diodenlasermoduls soll die Ausfallwahrscheinlichkeit durch Kurzschluss minimiert sein, insbesondere für den Fall einer Luftkühlung.The object of the invention is to provide a reliable, inexpensive, easy-to-assemble diode laser module with double-sided cooling, in which two heat sinks are used, between which an electrical voltage difference occurs during operation of the laser module. In particular, the distribution of the joining agent in the joining gap should be reproducible, the joining agent should be metered in a manner that is not tolerant of tolerances, a joining agent should be usable without special requirements for thermal conductivity, and the alignment of the heat sinks with respect to one another and with respect to the laser diode element should be easy to accomplish. When the diode laser module is operated, the probability of failure due to a short circuit should be minimized, in particular in the case of air cooling.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Diodenlasermodul nach Anspruch 1, umfassend ein Laserdiodenelement, einen ersten mit der p-Seite (Anode) des Laserdiodenelements thermisch verbundenen Kühlkörper, einen zweiten mit der n-Seite (Kathode) des Laserdiodenelements thermisch verbundenen Kühlkörper, wobei der zweite Kühlkörper mit dem ersten Kühlkörper mittels eines elektrisch isolierenden Fügemittels verbunden ist und die Verbindung des zweiten Kühlkörpers mit dem ersten Kühlkörper wenigstens zwei Fügespalte umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zu einer optischen Achse des Laserdiodenelements senkrechten Schnittebene jeder der zwei Fügespalte eine Verjüngung von außen nach innen aufweist.The object is achieved by a diode laser module according to
Das Laserdiodenelement kann beispielsweise ein Diodenlaserbarren sein. Ein Laserbarren ist ein Halbleiterchip, der eine Anzahl von parallel angeordneten einzelnen kantenemittierenden Emittern enthält. Enthält der Laserchip nur einen Emitter, wird er auch als Einzelemitter bezeichnet. Im Folgenden soll der Begriff Laserbarren auch Einzelemitter mit einschließen. Als Emitter wird ein Laserstrahlung emittierender Bereich des Laserdiodenelements bezeichnet. Üblicherweise kann die Breite eines handelsüblichen Laserbarrens ca. 10 mm betragen, die Länge 1 mm bis 6 mm und die Höhe 0.05 mm bis 0.2 mm. Im Falle eines Laserbarrens mit nur einem Emitter (Einzelemitter) kann die Breite auch nur 0.4 mm bis 1 mm betragen. Der Laserbarren wird auf der p-seitigen und der n-seitigen Kontaktfläche elektrisch kontaktiert. Diese Kontaktflächen sind die beiden größten Flächen des Laserbarrens, die gegenüberliegend angeordnet sind. Die p-seitige Kontaktfläche ist die Anode des Laserdiodenelements, während die n-seitige Kontaktfläche die Kathode des Laserdiodenelements ist.The laser diode element can be, for example, a diode laser bar. A laser bar is a semiconductor chip that has a number of parallel arranged individual edge-emitting emitters contains. If the laser chip contains only one emitter, it is also referred to as a single emitter. In the following, the term laser bar should also include single emitters. A region of the laser diode element which emits laser radiation is referred to as an emitter. Typically, the width of a commercially available laser bar can be approximately 10 mm, the
Das Laserdiodenelement kann in einer anderen bevorzugten Ausführungsform einen Laserbarren sowie einen mit der p-Seite des Laserdiodenelements verbundenen ersten Wärmespreizkörper und/oder einen mit der n-Seite des Laserdiodenelements verbundenen zweiten Wärmespreizkörper umfassen. Unter Verbindung ist hier eine elektrische und thermische Verbindung zu verstehen. Die elektrische Verbindung muss in der Lage sein, den Betriebsstrom des Laserbarrens zu tragen. Die thermische Verbindung muss die Abwärme des Laserbarrens abführen können. Zudem kann, muss aber nicht, zusätzlich der zweite Wärmespreizkörper mit dem ersten Wärmespreizkörper mittels einer Isolationsschicht verbunden sein. Diese Verbindung kann eine mechanische und/oder eine thermische Verbindung sein.In another preferred embodiment, the laser diode element can comprise a laser bar and a first heat spreading body connected to the p-side of the laser diode element and / or a second heat spreading body connected to the n-side of the laser diode element. The term connection here means an electrical and thermal connection. The electrical connection must be able to carry the operating current of the laser bar. The thermal connection must be able to dissipate the waste heat from the laser bar. In addition, the second heat expansion body can, but need not, be additionally connected to the first heat expansion body by means of an insulation layer. This connection can be a mechanical and / or a thermal connection.
Die Wärmespreizkörper sollten eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und elektrisch leitfähig sein. In einer bevorzugten Ausführung können sie beispielsweise aus Kupfer bestehen oder aus einem Metall-Diamant Verbundwerkstoff. Für manche Applikationen ist ein ausdehnungsangepasster Werkstoff wie beispielsweise Wolfram-Kupfer oder Molybdän-Kupfer zu verwenden. Auch keramische Wärmeleitkörper sind möglich, wenn die erforderliche elektrische Leitfähigkeit mittels einer metallischen Beschichtung hergestellt wird. An den Kanten der Wärmespreizkörper können Grate zur Verbesserung des elektrischen Kontakts zu den Kühlkörpern vorhanden sein. Die beiden Wärmespreizkörper sind gegeneinander elektrisch isoliert. Dazu kann beispielsweise eine Isolationsschicht zwischen den Wärmespreizkörpern vorgesehen sein. Die p-seitige Kontaktfläche des Laserdiodenelements ist die dem Laserbarren abgewandte Seite des ersten Wärmespreizkörpers, der an der Anode des Laserbarrens angebracht ist. Die n-seitige Kontaktfläche des Laserdiodenelements ist die dem Laserbarren abgewandte Seite des zweiten Wärmespreizkörpers, der an der Kathode des Laserbarrens angebracht ist.The heat spreaders should have a high thermal conductivity and be electrically conductive. In a preferred embodiment, they can consist, for example, of copper or a metal-diamond composite. For some applications, an expansion-adapted material such as tungsten copper or molybdenum copper must be used. Ceramic thermal conductors are also possible if the required electrical conductivity is produced using a metallic coating. There may be burrs on the edges of the heat spreading bodies to improve the electrical contact with the heat sinks. The two heat spreading bodies are electrically insulated from one another. For this purpose, for example, an insulation layer can be provided between the heat spreading bodies. The p-side contact surface of the laser diode element is the side of the first heat spreading body facing away from the laser bar, which is attached to the anode of the laser bar. The n-side contact surface of the laser diode element is the side of the second heat spreading body facing away from the laser bar, which is attached to the cathode of the laser bar.
Alternativ kann das Laserdiodenelement aber auch aus einem Laserdiodenbarren bestehen, der mit nur einem Wärmespreizkörper an der p-Seite oder an der n-Seite versehen ist.Alternatively, the laser diode element can also consist of a laser diode bar, which is provided with only one heat spreading body on the p-side or on the n-side.
Ein Laserbarren kann eine Anzahl einzelner Emitter enthalten, die als Kantenemitter ausgebildet sind. Die Wellenleiter sind als flache epitaktisch hergestellte Struktur ausgebildet und liegen in einer Ebene. Die p-Seite des Laserbarrens ist die Epitaxieseite, während die n-Seite die Substratseite ist. Die Wellenleiter und damit auch die Austrittsapertur der Laserstrahlen liegen also nahe der p-Seite (Anode) des Laserbarrens. Da der größte Teil der Verlustwärme in der Epitaxieebene entsteht, ist es vorteilhaft, an der p-Seite des Laserdiodenelements einen ersten Kühlkörper anzubringen, der eine höhere Kühlleistung als der an der n-Seite angebrachte zweite Kühlkörper hat. Die Hauptstrahlrichtungen der Laserstrahlung der Emitter sind parallel. Die gemeinsame Ebene der Wellenleiter (Wellenleiterebene) wird im Folgenden als Bezugsebene zur Veranschaulichung vorteilhafter Anordnungen der Fügespalte verwendet. Als optische Achse wird die Abstrahlungsrichtung des am nächsten zur Mitte des Laserbarrens liegenden Emitters definiert. Die optische Achse kann in der Wellenleiterebene liegen und senkrecht zur Frontfacette des Laserbarrens verlaufen. Nun kann der Laserbarren beispielsweise nicht nur eine, sondern mehrere Epitaxiestrukturen übereinander aufweisen, die einen Stapel von parallelen Wellenleiterebenen bilden. Bei einer solchen Struktur wird die mittlere Ebene der einzelnen Wellenleiterebenen als Bezugsebene (Wellenleiterebene) betrachtet. Außerdem kann das Laserdiodenelement auch einen Stapel einzelner Laserbarren aufweisen. Bei einer solchen Struktur wird die mittlere Ebene der Wellenleiterebenen der einzelnen Laserbarren als Bezugsebene (Wellenleiterebene) betrachtet.A laser bar can contain a number of individual emitters which are designed as edge emitters. The waveguides are designed as a flat, epitaxially produced structure and lie in one plane. The p-side of the laser bar is the epitaxial side, while the n-side is the substrate side. The waveguide and thus also the exit aperture of the laser beams are therefore close to the p-side (anode) of the laser bar. Since most of the heat loss is generated in the epitaxial plane, it is advantageous to attach a first heat sink to the p-side of the laser diode element, which has a higher cooling capacity than the second heat sink attached to the n-side. The main beam directions of the laser radiation from the emitters are parallel. The common plane of the waveguide (waveguide plane) is used below as a reference plane to illustrate advantageous arrangements of the joining gaps. The radiation direction of the emitter closest to the center of the laser bar is defined as the optical axis. The optical axis can lie in the waveguide plane and run perpendicular to the front facet of the laser bar. The laser bar can now have, for example, not just one but several epitaxial structures one above the other, which form a stack of parallel waveguide planes. With such a structure, the middle plane of the individual waveguide planes is considered as the reference plane (waveguide plane). In addition, the laser diode element can also have a stack of individual laser bars. With such a structure, the middle plane of the waveguide planes of the individual laser bars is considered as the reference plane (waveguide plane).
Die beiden Kühlkörper können vorzugsweise als Luftkühlkörper, d.h. als Kühlkörper, die mit Luft als Kühlmedium betrieben werden, ausgebildet sein. Zu diesem Zweck können sie jeweils mit mehreren Kühlrippen oder Kühlfingern ausgestattet sein. Kühlkörper mit Kühlrippen können beispielsweise mit Strangpressverfahren beispielsweise aus Aluminium bzw. einer aluminiumbasierten Legierung hergestellt werden. Eine besonders gute Wärmeableitung erreicht man, wenn die Kühlrippen gewellt ausgeführt sind. In manchen Fällen können aber auch glatte Kühlrippen ausreichen, die kostengünstiger herstellbar sind. Der Luftstrom zur Kühlung wird vorzugsweise durch einen Lüfter angetrieben. Bei kleinen Verlustleistungen des Diodenlasermoduls kann alternativ eine Konvektionskühlung ohne Lüfter ausreichen. Vorteilhaft ist es, den Luftstrom parallel zum Laserstrahl zu führen. Ebenfalls vorteilhaft kann es sein, den Luftstrom antiparallel zum Laserstrahl zu führen, also in entgegengesetzter Richtung. Es ist aber auch möglich, den Luftstrom mit einer radialen Geschwindigkeitskomponente vorzusehen.The two heat sinks can preferably be designed as air heat sinks, ie as heat sinks that are operated with air as the cooling medium. For this purpose, they can be equipped with several cooling fins or cooling fingers. Heat sinks with cooling fins can be produced, for example, using extrusion processes, for example from aluminum or an aluminum-based alloy. Particularly good heat dissipation can be achieved if the cooling fins are corrugated. In some cases, however, smooth cooling fins can also be sufficient, which are less expensive to produce. The air flow for cooling is preferably driven by a fan. If the diode laser module has a low power loss, convection cooling without a fan can be sufficient as an alternative. It is advantageous to keep the air flow parallel to the laser beam to lead. It can also be advantageous to direct the air flow antiparallel to the laser beam, ie in the opposite direction. However, it is also possible to provide the air flow with a radial speed component.
Der erste und/oder der zweite Kühlkörper können eine Nut, die eine erste Anlagefläche und Seitenflächen umfasst, zur Aufnahme des Laserdiodenelements aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Seitenflächen derart geneigt sind, dass sie an den Schnittkanten der Anlagefläche den geringsten Abstand zueinander haben. Die Nut ist dann nach oben erweitert. Insbesondere kann der Abstand der Seitenflächen auf der Anlagefläche derart gewählt sein, dass das Laserdiodenelement in seiner Position zumindest in einer Richtung derart festgelegt wird, dass eine aktive Ausrichtung (Justage) entfallen kann. Solche Nuten sind erfindungsgemäß nicht unbedingt erforderlich, allerdings sind derartige Nuten insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Laserdiodenelement einen oder mehrere Wärmespreizkörper umfasst.The first and / or the second heat sink can have a groove, which comprises a first contact surface and side surfaces, for receiving the laser diode element. It is particularly advantageous if the side surfaces are inclined such that they are at the smallest distance from one another at the cut edges of the contact surface. The groove is then expanded upwards. In particular, the distance between the side surfaces on the contact surface can be selected such that the position of the laser diode element is fixed in at least one direction in such a way that active alignment (adjustment) can be omitted. Such grooves are not absolutely necessary according to the invention, but such grooves are particularly advantageous if the laser diode element comprises one or more heat spreading bodies.
Die Kühlkörper können aber auch Kanäle aufweisen, durch die sie mit einem flüssigen oder einem gasförmigen Kühlmedium gekühlt werden. Solche Kühlkörper kann man beispielsweise aus Aluminium oder bevorzugt aus Kupfer herstellen.However, the heat sinks can also have channels through which they are cooled with a liquid or a gaseous cooling medium. Such heat sinks can be made, for example, from aluminum or preferably from copper.
Der erste Kühlkörper weist wenigstens zwei erste Fügeflächen und der zweite Kühlkörper wenigstens zwei zweite Fügeflächen auf. Das Fügemittel befindet sich in wenigstens zwei Fügespalten, die durch jeweils eine erste Fügefläche und eine zweite Fügefläche begrenzt werden. Dabei liegt jeweils eine erste Fügefläche des ersten Kühlkörpers einer zweiten Fügefläche des zweiten Kühlkörpers gegenüber, wobei der Abstand beider Flächen wenigstens teilweise durch das Fügemittel überbrückt wird. Die beiden Fügespalte weisen jeweils wenigstens abschnittsweise von außen nach innen eine Verjüngung auf. Die Innenseite zeichnet sich dadurch aus, dass sie näher an der optischen Achse liegt als die Außenseite. Die erfindungsgemäße Verjüngung des Fügespalts von außen nach innen sei dadurch definiert, dass in einem senkrecht zur optischen Achse liegenden Schnitt der Abstand der ersten Fügefläche zur zweiten Fügefläche an einer ersten Stelle kleiner ist als an einer zweiten Stelle, die weiter von der optischen Achse entfernt ist als die erste Stelle. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die ersten Fügeflächen sowie die zweiten Fügeflächen jeweils als ebene Flächen ausgeführt. Dann erstreckt sich die Verjüngung jeweils über die gesamte Breite des Spaltes. Die Verjüngung kann keilförmig ausgebildet sein. Die erste Stelle kann in diesem Fall am inneren Ende des Fügespalts und die zweite Stelle am äußeren Ende des Fügespalts gewählt werden. Die Fügeflächen müssen nicht notwendigerweise als ebene Flächen ausgebildet sein. Es sind auch gekrümmte Flächen oder abgestufte Flächen möglich. Erfindungswesentlich ist jedoch in jedem Fall die Verjüngung der Fügespalte von außen nach innen.The first heat sink has at least two first joining surfaces and the second cooling body has at least two second joining surfaces. The joining agent is located in at least two joining gaps, each of which is delimited by a first joining surface and a second joining surface. In each case, a first joining surface of the first heat sink lies opposite a second joining surface of the second cooling body, the distance between the two surfaces being at least partially bridged by the joining means. The two joining gaps each have a taper at least in sections from the outside inwards. The inside is characterized by being closer to the optical axis than the outside. The inventive tapering of the joint gap from the outside in is defined by the fact that, in a section perpendicular to the optical axis, the distance between the first joint surface and the second joint surface is smaller at a first point than at a second point which is further away from the optical axis than the first place. In a preferred embodiment, the first joining surfaces and the second joining surfaces are each designed as flat surfaces. Then the taper extends over the entire width of the gap. The taper can be wedge-shaped. In this case, the first position can be selected at the inner end of the joint gap and the second position at the outer end of the joint gap. The joining surfaces do not necessarily have to be designed as flat surfaces. Curved surfaces or stepped surfaces are also possible. In any case, the tapering of the joint gaps from outside to inside is essential to the invention.
Die Fügespalte können in der Ebene der Wellenleiter des Laserdiodenelements liegen. Vorteilhafter ist es allerdings, wenn die Fügespalte nicht in dieser Ebene liegen, sondern zur Wellenleiterebene beabstandet sind und sich im Halbraum der n-Seite des Laserdiodenelements befinden. Dann ist nämlich der erste Kühlkörper auf einfache Weise durch eine vergrößerte Oberfläche mit einer höheren Kühlleistung als der zweite Kühlkörper zu dimensionieren. Besonders vorteilhaft ist es, wenn außerdem die Fügespalte außen einen größeren Abstand zur Bezugsebene (Wellenleiterebene) aufweisen, als innen. Das äußert sich beispielsweise darin, dass die äußeren Fügemitteloberflächen weiter von der Wellenleiterebene entfernt sind als die inneren Fügemitteloberflächen. Wenn die Fügeflächen wenigstens abschnittsweise eben ausgebildet sind, kann dadurch erreicht werden, dass ein Winkel zwischen zwei ersten Fügeflächen kleiner als 180° ist. Vorteilhaft sind Winkel zwischen 60° und 120°, besonders vorteilhaft zwischen 80° und 100° vorgesehen. Dadurch sind die Fügespalte jeweils weder spiegelsymmetrisch zur Wellenleiterebene, noch zu einer zur Wellenleiterebene parallelen Ebene ausgebildet. Die Mittelebenen der einzelnen Fügespalte sind also in dieser betrachteten vorteilhaften Ausführungsform gegen die Wellenleiterebene geneigt angeordnet.The joining gaps can lie in the plane of the waveguide of the laser diode element. However, it is more advantageous if the joining gaps do not lie in this plane, but are spaced apart from the waveguide plane and are located in the half space of the n side of the laser diode element. Then the first heat sink can be easily dimensioned by an enlarged surface with a higher cooling capacity than the second heat sink. It is particularly advantageous if, in addition, the joining gaps have a greater distance from the reference plane (waveguide plane) on the outside than on the inside. This manifests itself, for example, in that the outer surfaces of the joining agent are further away from the waveguide plane than the inner surfaces of the joining agent. If the joining surfaces are at least partially flat, it can be achieved that an angle between two first joining surfaces is less than 180 °. Angles between 60 ° and 120 ° are advantageously provided, particularly advantageously between 80 ° and 100 °. As a result, the joining gaps are neither designed to be mirror-symmetrical to the waveguide plane, nor to a plane parallel to the waveguide plane. In this advantageous embodiment considered, the center planes of the individual joining gaps are thus inclined relative to the waveguide plane.
Der erste und/oder der zweite Kühlkörper können bevorzugt translationssymmetrisch ausgebildet sein. Die Symmetrierichtung der Translationssymmetrie kann in Richtung der optischen Achse des Diodenlasermoduls liegen. Die Fügespalte können ebenfalls bevorzugt translationssymmetrisch bezüglich der optischen Achse des Diodenlasermoduls sein.The first and / or the second heat sink can preferably be designed to be translationally symmetrical. The direction of symmetry of the translation symmetry can lie in the direction of the optical axis of the diode laser module. The joining gaps can also preferably be translationally symmetrical with respect to the optical axis of the diode laser module.
Die erfindungsgemäße Verjüngung der Fügespalte von außen nach innen kann in einer bevorzugten Ausführungsform dadurch erreicht werden, dass zwischen zwei zweiten ebenen Fügeflächen ein Winkel vorgesehen wird, der kleiner ist als der Winkel zwischen zwei ersten ebenen Fügeflächen. Vorzugsweise wird der Winkel zwischen den zweiten Fügeflächen um 2° bis 20° kleiner gewählt, als der Winkel zwischen den ersten Fügeflächen. Bei nur abschnittsweise verjüngten Fügespalten gilt diese Betrachtung entsprechend für die entsprechenden Abschnitte der Fügeflächen, die die Verjüngung der Klebspalte begrenzen.The tapering of the joining gaps from the outside inwards according to the invention can be achieved in a preferred embodiment in that an angle is provided between two second flat joining surfaces which is smaller than the angle between two first flat joining surfaces. The angle between the second joining surfaces is preferably chosen to be 2 ° to 20 ° smaller than the angle between the first joining surfaces. In the case of joining gaps which are only tapered in sections, this consideration applies accordingly to the corresponding sections of the joining surfaces which limit the tapering of the adhesive gaps.
Zwei Fügespalte können spiegelsymmetrisch bezüglich einer Ebene angeordnet sein, die senkrecht zur Wellenleiterebene und parallel zur optischen Achse der Laserstrahlung ist. Die optische Achse stellt eine Gerade dar, die in der Mitte des mittleren Emitters des Laserbarrens liegt und in Resonatorrichtung verlaufen kann. Die Fügespalte liegen dann seitlich links und rechts neben dem Laserdiodenelement. Vorteilhaft ist es, den Abstand der Fügespalte auch innen größer als die Breite des Laserdiodenelements zu wählen.Two joining gaps can be arranged mirror-symmetrically with respect to a plane that is perpendicular to the waveguide plane and parallel to the optical axis of the laser radiation. The optical Axis represents a straight line that lies in the middle of the middle emitter of the laser bar and can run in the direction of the resonator. The joining gaps are then to the left and right of the laser diode element. It is advantageous to choose the spacing of the joining gaps to be larger on the inside than the width of the laser diode element.
Der erste Kühlkörper, der an der p-Seite des Laserdiodenelements angebracht ist, kann so dimensioniert werden, dass er eine höhere Kühlleistung als der zweite Kühlkörper hat, der an der n-Seite des Laserdiodenelements angebracht ist. Da das Laserdiodenelement an der p-Seite mehr Abwärme abgibt als an der n-Seite, ist durch diese vorteilhafte Dimensionierung der Kühlkörper der Wärmefluss zwischen beiden Kühlkörpern vermindert. Im Idealfall tritt kein oder nur ein geringer Wärmefluss zwischen beiden Kühlkörpern auf. Deshalb kann ein preisgünstiges Fügemittel verwendet werden, an das keine Anforderungen hinsichtlich hoher Wärmeleitfähigkeit gestellt werden muss. Die Wärmeleitfähigkeit kann kleiner als 0.3W/(m*K) oder sogar kleiner als 0.1W/(m*K) sein. Die genannte Kühlkörperdimensionierung kann derart ausgeführt sein, dass der erste Kühlkörper eine größere Oberfläche zum Wärmetausch hat als der zweite Kühlkörper. Der erste Kühlkörper kann dafür mit mehr Kühlrippen und/oder mit in Summe großflächigeren Kühlrippen ausgestattet sein.The first heat sink, which is attached to the p-side of the laser diode element, can be dimensioned such that it has a higher cooling capacity than the second heat sink, which is attached to the n-side of the laser diode element. Since the laser diode element emits more waste heat on the p-side than on the n-side, this advantageous dimensioning of the heat sink reduces the heat flow between the two heat sinks. Ideally, there is little or no heat flow between the two heat sinks. Therefore, an inexpensive joining agent can be used which does not have to meet high thermal conductivity requirements. The thermal conductivity can be less than 0.3W / (m * K) or even less than 0.1W / (m * K). Said heat sink dimensioning can be designed such that the first heat sink has a larger surface for heat exchange than the second heat sink. For this purpose, the first heat sink can be equipped with more cooling fins and / or with cooling fins having a larger area overall.
Das Laserdiodenelement kann beispielsweise kürzer sein als der erste und /oder der zweite Kühlkörper, wobei die Längendimension hierbei in Richtung der optischen Achse betrachtet wird. Auch ist es möglich, dass das Laserdiodenelement in Richtung der optischen Achse gegenüber der Vorderkante des ersten bzw. zweiten Kühlkörpers vorsteht oder zurückversetzt ist. Ein Rückversatz hat den Vorteil, dass das Laserdiodenelement gegen mechanische Beschädigungen besser geschützt ist.The laser diode element can, for example, be shorter than the first and / or the second heat sink, the length dimension being considered in the direction of the optical axis. It is also possible for the laser diode element to protrude or be set back in the direction of the optical axis with respect to the front edge of the first or second heat sink. A backset has the advantage that the laser diode element is better protected against mechanical damage.
Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßem Diodenlasermoduls kann folgende Schritte umfassen:
- a) Bereitstellen eines Laserdiodenelements, eines ersten Kühlkörpers und eines zweiten Kühlkörpers,
- b) Verbinden des ersten Kühlkörpers mit der p-Seite des Laserdiodenelements,
- c) Verbinden des zweiten Kühlkörpers mit der n-Seite des Laserdiodenelements,
- d) Verbinden des zweiten Kühlkörpers mit dem ersten Kühlkörper mittels eines elektrisch isolierenden Fügemittels.
- a) providing a laser diode element, a first heat sink and a second heat sink,
- b) connecting the first heat sink to the p-side of the laser diode element,
- c) connecting the second heat sink to the n side of the laser diode element,
- d) connecting the second heat sink to the first heat sink by means of an electrically insulating joining means.
Das Fügemittel kann vorzugsweise ein Klebstoff sein, besonders bevorzugt ein Epoxidharzkleber, der thermisch bei erhöhter Temperatur, bei Raumtemperatur oder chemisch ausgehärtet werden kann. Das Fügemittel kann aber auch anorganischer Natur sein, beispielsweise ein Zement oder ein silikatbasiertes Fügemittel. Das Fügemittel kann vor dem Aushärten viskos sein und nach dem Aushärten eine hohe Festigkeit aufweisen. Es handelt sich also um ein verfestigbares Fügemittel. Man kann das Diodenlasermodul derart herstellen, dass auf die Fügeflächen des ersten und/oder des zweiten Kühlkörpers vor dem Zusammenfügen der beiden Kühlkörper ein elektrisch isolierendes Fügemittel aufgebracht wird. Das Fügemittel kann im viskosen Zustand bevorzugt als Raupe, beispielsweise als Kleberraupe, aufgebracht werden. Die Höhe des aufgebrachten Fügemittels, beispielsweise der Raupe, kann größer sein, als die vorbestimmte mittlere Dicke des Fügespaltes. Die beiden Kühlkörper werden mit dem Laserdiodenelement, das wenigstens teilweise zwischen beiden Kühlkörpern angeordnet wird, zusammengefügt. Dabei werden die Fügespalte, die sich jeweils zwischen zwei gegenüberliegenden Fügeflächen befinden, vom Fügemittel überbrückt. Beim Zusammenfügen der Kühlkörper kann ein Druck auf das vorher aufgebrachte Fügemittel ausgeübt werden. Durch kann beim Zusammenfügen der Kühlkörper infolge der erfindungsgemäßen Verjüngung des Fügespaltes, die von außen nach innen verläüft, Fügemittel im Wesentlichen nach außen gedrückt werden. Im Wesentlichen heißt hier, dass zwar auch Fügemittel nach innen gedrückt werden kann, dieses aber wegen des durch die Verjüngung des Fügespalts bedingten kleineren hydraulischen Durchmessers innen langsamer fließt als außen, so dass das Fügemittel bevorzugt nach außen ausweicht. Das heißt, dass das Fügemittel in einem Klebspalt, wenn man die Bewegung des Fügemittels über das Fügemittelvolumen mittelt, nach außen gedrückt wird. Diese vorteilhafte Wirkung ist besonders ausgeprägt, wenn ein mittel- oder hochviskoses Fügemittel verwendet wird, d.h. die Viskosität des Fügemittels größer als 1000 cP ist. Besonders vorteilhaft kann ein thixotropes Fügemittel sein. Die Thixotropie des Fügemittels kann ein Verlaufen des Fügemittels vor dem Zusammenfügen der Kühlkörper verhindern und das vorteilhafte Ausweichen des Fügemittels nach außen beim Zusammenfügen zusätzlich befördern. Dabei kann sich die äußere Fügemitteloberfläche nach dem Zusammenfügen entweder im Fügespalt selbst oder in einen außen an den Fügespalt angrenzenden Hohlraum ausbilden.The joining agent can preferably be an adhesive, particularly preferably an epoxy resin adhesive, which can be cured thermally at elevated temperature, at room temperature or chemically. The joining agent can, however, also be of an inorganic nature, for example a cement or a silicate-based joining agent. The joining agent can be viscous before curing and have high strength after curing. It is therefore a solidifiable joining agent. The diode laser module can be produced in such a way that an electrically insulating joining agent is applied to the joining surfaces of the first and / or the second cooling body before the two cooling bodies are joined together. In the viscous state, the joining agent can preferably be applied as a bead, for example as an adhesive bead. The height of the joining agent applied, for example the bead, can be greater than the predetermined mean thickness of the joining gap. The two heat sinks are joined together with the laser diode element, which is at least partially arranged between the two heat sinks. The joining gaps, which are located between two opposing joining surfaces, are bridged by the joining agent. When the heat sinks are joined together, pressure can be exerted on the previously applied joining agent. By joining the heat sink as a result of the tapering of the joining gap according to the invention, which is ventilated from the outside inwards, joining means can be essentially pressed outwards. Essentially, here means that the joining agent can also be pressed inwards, but because of the smaller hydraulic diameter caused by the tapering of the joining gap, it flows more slowly on the inside than on the outside, so that the joining agent preferably escapes to the outside. This means that the joining agent is pressed outwards in an adhesive gap when the movement of the joining agent is averaged over the joining agent volume. This advantageous effect is particularly pronounced when a medium or highly viscous joining agent is used, i.e. the viscosity of the joining agent is greater than 1000 cP. A thixotropic joining agent can be particularly advantageous. The thixotropy of the joining agent can prevent the joining agent from running before joining the heat sinks and can additionally promote the advantageous escape of the joining agent to the outside when joining. After joining, the outer surface of the joining agent can form either in the joining gap itself or in a cavity adjacent to the outside of the joining gap.
Alternativ können die Kühlkörper mit dem Laserdiodenelement auch zunächst ohne Fügemittel zusammengesetzt werden. Das Fügemittel kann in diesem Falle nach dem Zusammensetzen von außen in den Fügespalt eingebracht werden. Dazu kann es genügen, das Fügemittel in einen außen am Fügespalt vorgesehenen Hohlraum zu dosieren, von dem aus es infolge der Kapillarkräfte in den Fügespalt eindringt. Diese Art der Befüllung des Fügespalts ist besonders vorteilhaft zu bewerkstelligen, da durch die erfindungsgemäße untenstehend beschriebene Verjüngung des Fügespalts von außen nach innen die Kapillarkräfte auf das flüssige Fügemittel von außen nach innen zunehmen. Dadurch verteilt sich das flüssige Fügemittel bevorzugt zur Innenseite des Fügespalts und man erreicht eine reproduzierbare Verteilung des Fügemittels, die nicht von zufälligen Faktoren abhängt. Außerdem wird durch die erfindungsgemäße Geometrie der Fügespalte bewirkt, dass das Fügemittel von der Fügestelle nicht wegfließen kann, insbesondere auch dann nicht, wenn die Viskosität des Fügemittels während eines Aushärteprozesses bei erhöhter Temperatur zeitweilig abnimmt. Auf der Innenseite des Fügespalts kann in einer bevorzugten Ausführungsform ein Raum zur Aufnahme überschüssigen Klebers vorgesehen sein, der im Querschnitt wenigstens eine Erweiterung aufweist. Dadurch kann man erreichen, dass das flüssige Fügemittel nicht weiter in Richtung Laserbarren kapilliert. Dieser Raum kann auch eine geringe Menge überschüssigen Fügemittels aufnehmen, so dass eine gewisse Überdosierung des Fügemittels unkritisch ist. Da die jeweils gegenüberliegenden Fügeflächen beider Kühlkörper einen Fügespalt bilden, können sich innen und außen jeweils freie Oberflächen des Fügemittels ausbilden. Die innere Fügemitteloberfläche kann entweder im Fügespalt, d.h. zwischen den Fügeflächen liegen oder außerhalb des Fügespaltes beispielsweise im o.g. angrenzenden inneren Hohlraum. Es ist sogar möglich, dass das Fügemittel bis an das Laserdiodenelement heranreicht und sich dann innen keine freie Fügemitteloberfläche ausbildet. Das kann insbesondere dann der Fall sein, wenn in einer weiteren Ausführungsform kein innerer Hohlraum vorgesehen ist, sondern die Fügespalte bis an das Laserdiodenelement heranreichen. Die äußere Fügemitteloberfläche kann entweder im Fügespalt, d.h. zwischen den Fügeflächen liegen oder außerhalb des Fügespaltes beispielsweise im angrenzenden äußeren Hohlraum. Auch bei einer Unterdosierung des Fügemittels verteilt sich dieses, befördert durch die Verjüngung des Fügespaltes, auf der gesamten Länge des Fügespaltes gleichmäßig. Wegen des Gradienten der Kapillarkraft im Fügespalt stellt sich ein gleichmäßiger Abstand zwischen innerer und äußerer Fügemitteloberfläche ein, der Fügespalt wird praktisch von der Innenseite her gleichmäßig und reproduzierbar aufgefüllt.Alternatively, the heat sink with the laser diode element can also initially be assembled without a joining agent. The joining agent can be in In this case, after assembly, be introduced from the outside into the joint gap. To do this, it may be sufficient to dose the joining agent into a cavity provided on the outside of the joining gap, from which it penetrates into the joining gap as a result of the capillary forces. This type of filling of the joint gap can be accomplished particularly advantageously, since the tapering of the joint gap according to the invention, described below, increases the capillary forces on the liquid joining agent from the outside inwards. As a result, the liquid joining agent is preferably distributed to the inside of the joining gap and a reproducible distribution of the joining agent is achieved, which does not depend on random factors. In addition, the geometry of the joining gaps according to the invention means that the joining agent cannot flow away from the joining point, in particular not even if the viscosity of the joining agent temporarily drops during a curing process at elevated temperature. In a preferred embodiment, a space for receiving excess adhesive can be provided on the inside of the joint gap, which has at least one extension in cross section. This means that the liquid joining agent no longer capillates in the direction of the laser bar. This space can also hold a small amount of excess joining agent, so that a certain overdosing of the joining agent is not critical. Since the respectively opposing joining surfaces of both cooling bodies form a joining gap, free surfaces of the joining agent can be formed on the inside and outside. The inner surface of the joining agent can either lie in the joining gap, ie between the joining surfaces, or outside the joining gap, for example in the abovementioned inner cavity. It is even possible that the joining agent reaches as far as the laser diode element and then no free joining agent surface is formed on the inside. This can be the case in particular if, in a further embodiment, no internal cavity is provided, but the joining gaps reach as far as the laser diode element. The outer surface of the joining agent can either lie in the joining gap, ie between the joining surfaces, or outside the joining gap, for example in the adjacent outer cavity. Even if the joining agent is underdosed, it is distributed evenly over the entire length of the joining gap, promoted by the tapering of the joining gap. Because of the gradient of the capillary force in the joint gap, there is a uniform distance between the inner and outer surface of the jointing agent, the joint gap is practically filled uniformly and reproducibly from the inside.
Zwischen der p-seitigen Anschlussfläche des Laserdiodenelements und der entsprechenden Anlagefläche des ersten Kühlkörpers kann vorteilhafterweise ein Wärmeleitmittel eingebracht sein, ebenso zwischen der n-seitigen Anschlussfläche des Laserdiodenelements und der entsprechenden Anlagefläche des zweiten Kühlkörpers. Das dient der Verbesserung der thermischen Verbindung. Ein solches Wärmeleitmittel kann beispielsweise als Metallfolie, beispielsweise aus Zinn, Blei, Indium, Cadmium oder einer Legierung aus zwei oder mehreren dieser Metalle ausgebildet sein. Es kann aber auch eine Wärmeleitfolie, beispielsweise eine Karbonfolie verwendet werden. Alternativ kann ein solches Wärmeleitmittel auch als metallische Beschichtung beispielsweise aus Zinn, Blei, Indium, Cadmium oder Gold ausgebildet sein, die zumindest auf die Anlagefläche des ersten und/oder des zweiten Kühlkörpers aufgebracht ist. Eine solche Beschichtung kann zusätzlich oder alternativ auf der n-seitigen und/oder der p-seitigen Kontaktfläche des Laserdiodenelements aufgebracht sein. Ein Wärmeleitmittel kann aber auch ein weiteres Fügemittel, beispielsweise ein Wärmeleitkleber, sein. Wenn die Kontaktflächen und Anlageflächen hinreichend eben ausgeführt sind, kann auch auf ein Wärmeleitmittel verzichtet werden. Der erste Kühlkörper kann also mit der p-Seite des Laserdiodenelements und der zweite Kühlkörper mit der n-Seite des Laserdiodenelements entweder mit einem Wärmeleitmittel oder ohne ein Wärmeleitmittel thermisch verbunden sein. Der erste Kühlkörper kann zusätzlich mit der p-Seite des Laserdiodenelements und/oder der zweite Kühlkörper mit der n-Seite des Laserdiodenelements mechanisch verbunden sein. Eine mechanische Verbindung kann formschlüssig, stoffschlüssig oder kraftschlüssig erfolgen, wobei auch eine Kombination mehrerer dieser Verbindungsarten möglich ist. Der Einsatz des o.g. weiteren Fügemittels stellt beispielsweise eine stoffschlüssige mechanische Verbindung dar, während eine Anpresskraft, die beispielsweise dadurch entstehen kann, dass das Laserdiodenelement zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlkörper eingeklemmt wird, eine kraftschlüssige mechanische Verbindung realisiert. Beide mechanische Verbindungsarten können auch gleichzeitig vorliegen. Durch die o.g. Ausbildung einer Nut in einem oder beider Kühlkörpern kann zudem eine formschlüssige Verbindung hergestellt werden.A thermal conductor can advantageously be introduced between the p-side connection surface of the laser diode element and the corresponding contact surface of the first heat sink, as well as between the n-side connection surface of the laser diode element and the corresponding contact surface of the second heat sink. This serves to improve the thermal connection. Such a heat-conducting agent can be designed, for example, as a metal foil, for example made of tin, lead, indium, cadmium or an alloy of two or more of these metals. However, a heat-conducting film, for example a carbon film, can also be used. Alternatively, such a heat-conducting agent can also be formed as a metallic coating, for example made of tin, lead, indium, cadmium or gold, which is applied at least to the contact surface of the first and / or the second heat sink. Such a coating can additionally or alternatively be applied to the n-side and / or the p-side contact surface of the laser diode element. A heat-conducting agent can, however, also be a further joining agent, for example a heat-conducting adhesive. If the contact surfaces and contact surfaces are sufficiently flat, a heat-conducting agent can also be dispensed with. The first heat sink can therefore be thermally connected to the p-side of the laser diode element and the second heat sink to the n-side of the laser diode element either with a heat-conducting agent or without a heat-conducting agent. The first heat sink can additionally be mechanically connected to the p-side of the laser diode element and / or the second heat sink can be mechanically connected to the n side of the laser diode element. A mechanical connection can be form-fitting, material-fitting or force-fitting, and a combination of several of these types of connection is also possible. The use of the above Another joining means is, for example, an integral mechanical connection, while a contact pressure, which can arise, for example, from the fact that the laser diode element is clamped between the first and the second heat sink, realizes a non-positive mechanical connection. Both types of mechanical connection can also be present at the same time. Through the above Forming a groove in one or both heat sinks can also be a positive connection.
Beim Zusammensetzen der mit Fügemittel versehenen Kühlkörper kommt jeweils eine erste Fügefläche einer zweiten Fügefläche gegenüber zu liegen und das Fügemittel überbrückt nun jeweils den Abstand zwischen der ersten und der gegenüberliegenden zweiten Fügefläche und benetzt dabei beide Fügeflächen. Das gleiche Ergebnis erhält man, wenn das Fügemittel wie oben beschrieben erst nach dem Zusammensetzen der Kühlkörper appliziert wird. Die Benetzung der Fügeflächen muss nicht vollflächig erfolgen, sondern das Fügemittel kann auch leicht unterdosiert werden, so dass nicht die gesamte erste und zweite Fügefläche vollflächig benetzt sind. Es ist auch eine Überdosierung möglich, das Fügemittel kann sich dann in den o.g dafür vorgesehenen Hohlräumen sammeln, die sich innen an die Fügespalte anschließen. Zur zuverlässigen elektrischen Isolation ist besonders außen eine bestimmte Fügespaltdicke zwischen dem ersten Kühlkörper und dem zweiten Kühlkörper erforderlich. Dieser Abstand kann durch das Laserdiodenelement bestimmt sein, dieses hat dann aufgrund seiner festgelegten Dicke die Funktion eines Abstandshalters. Zusätzlich können, müssen aber nicht, weitere Distanzstücke aus einem elektrisch isolierenden Material als Abstandshalter zwischen den Kühlkörpern eingebracht sein. Die Verwendung wenigstens eines Distanzstücks ist vorteilhaft, wenn das Laserdiodenelement in Richtung der optischen Achse eine geringere Länge aufweist, als die Kühlkörper, das Laserdiodenelement also kürzer ist als die Kühlkörper. Insbesondere wenn das Laserdiodenelement keine Wärmespreizkörper, sondern lediglich einen Laserbarren umfasst, der meist nicht länger als 5 Millimeter ist, kann ein Distanzstück erforderlich sein.When assembling the heat sink provided with the joining agent, a first joining surface comes to lie opposite a second joining surface and the joining agent now bridges the distance between the first and the opposite second joining surface and wets both joining surfaces. The same result is obtained if the joining agent is applied as described above only after the heat sinks have been assembled. The wetting of the joining surfaces does not have to take place over the entire area, but the joining agent can also be slightly underdosed, so that the entire first and second joining areas are not wetted over the entire area. Overdosing is also possible, the joining agent can then collect in the cavities provided for this purpose, which adjoin the interior of the joint gaps. For reliable electrical insulation, a certain joint gap thickness is required between the first heat sink and the second heat sink, particularly on the outside. This distance can be determined by the laser diode element, which then has the function of a spacer due to its fixed thickness. In addition, but not necessarily, further spacers made of an electrically insulating material can be introduced as spacers between the heat sinks. The use of at least one spacer is advantageous if the laser diode element has a shorter length in the direction of the optical axis than the heat sinks, ie the laser diode element is shorter than the heat sinks. In particular if the laser diode element does not comprise a heat spreading body but only a laser bar, which is usually not longer than 5 millimeters, a spacer may be required.
Das Laserdiodenmodul kann vorteilhaft an dem ersten und/oder dem zweiten Kühlkörper elektrisch kontaktiert werden, beispielsweise durch Schraubkontakte, Steckkontakte, angeschweißte Kontakte oder Federkontakte. Zu diesem Zweck muss der erste Kühlkörper elektrisch mit der p- Seite des Laserdiodenelements verbunden sein und/ oder der zweite Kühlkörper elektrisch mit der n- Seite des Laserdiodenelements verbunden sein. Dann kann der erste und/ oder der zweite Kühlkörper als Anschlusskontakt zur Stromzuführung zum Laserdiodenelement dienen.The laser diode module can advantageously be electrically contacted on the first and / or the second heat sink, for example by screw contacts, plug contacts, welded contacts or spring contacts. For this purpose, the first heat sink must be electrically connected to the p-side of the laser diode element and / or the second heat sink must be electrically connected to the n-side of the laser diode element. Then the first and / or the second heat sink can serve as a connection contact for supplying current to the laser diode element.
Die Umhüllende der Außenkanten der Kühlrippen der Kühlkörper kann vorteilhaft im Querschnitt kreisförmig sein. Dann kann man das Diodenlasermodul in einem Rohr anordnen, welches als Außenmantel zur Führung eines Kühlluftstromes dienen kann. Alternativ kann die Umhüllende auch eine Abflachung (D-Form) aufweisen und/oder oval oder rechteckig sein. Auch andere Formen sind möglich. Eine Abflachung hat den Vorteil, dass das Diodenlasermodul während der Montage oder zur Lagerung kippsicher darauf abgestellt werden kann.The envelope of the outer edges of the cooling fins of the heat sink can advantageously be circular in cross section. Then you can arrange the diode laser module in a tube, which can serve as an outer jacket for guiding a cooling air flow. Alternatively, the envelope can also have a flattened shape (D shape) and / or be oval or rectangular. Other shapes are also possible. Flattening has the advantage that the diode laser module can be safely placed on it during installation or storage.
Das Diodenlasermodul kann weiterhin einen Außenmantel umfassen, der die Kühlkörper wenigstens abschnittsweise umgibt. Dieser Außenmantel bewirkt, dass der Luftstrom zur Kühlung des Diodenlasermoduls in dem umgebenden Abschnitt nicht radial entweichen kann, sondern in den Zwischenräumen der Kühlrippen bzw. Kühlfinger geführt wird. Das ist vorteilhaft, da die Kühlung des Diodenlasermoduls dadurch verbessert wird. Außerdem kann zusätzlich an der Austrittsseite des Laserstrahls ein Luftstrom erzeugt werden, der gleichzeitig optische Elemente im Laserstrahlengang und/oder den Targetbereich des Laserstrahls kühlt. Dieser Luftstrom kann teilweise parallel zur optischen Achse liegen und an der Austrittsseite des Laserstrahls entweder blasend oder saugend ausgeführt sein. Der Außenmantel kann vorteilhafterweise an die umhüllende der äußeren Kanten der Kühlrippen angepasst sein, so dass er im Querschnitt das Diodenlasermodul in einem bestimmten Abstand umgibt. Besonders vorteilhaft ist ein Abstand des Außenmantels zu den Außenkanten der Kühlrippen, der in der den mittleren hydraulischen Durchmesser der Luftkanäle zwischen den Kühlrippen nicht übersteigt. Insbesondere kann der Außenmantel im Querschnitt kreisförmig oder oval, mit oder ohne seitliche Abflachung, oder rechteckig ausgebildet sein.The diode laser module can further comprise an outer jacket which surrounds the heat sink at least in sections. This outer jacket has the effect that the air flow for cooling the diode laser module cannot escape radially in the surrounding section, but is instead guided in the spaces between the cooling fins or cooling fingers. This is advantageous because it improves the cooling of the diode laser module. In addition, an air stream can also be generated on the exit side of the laser beam, which simultaneously cools optical elements in the laser beam path and / or the target region of the laser beam. This air flow can be partially parallel to the optical axis and can be either blowing or sucking on the exit side of the laser beam. The outer jacket can advantageously be adapted to the enveloping outer edges of the cooling fins, so that it surrounds the diode laser module at a certain distance in cross section. A distance of the outer jacket to the outer edges of the cooling fins is particularly advantageous, which does not exceed the average hydraulic diameter of the air channels between the cooling fins. In particular, the outer jacket can be circular or oval in cross-section, with or without lateral flattening, or rectangular.
Das erfindungsgemäße Diodenlasermodul weist eine zuverlässige elektrische Isolation zwischen den Kühlkörpern auf. Zur Herstellung kann ein preisgünstiges Fügemittel verwendet werden. Die Anforderungen an die Fertigungstoleranzen sind gegenüber dem Stand der Technik weniger anspruchsvoll, so dass die Herstellung des Moduls kostengünstiger ist. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Fügespaltes ist eine besonders zuverlässige und genaue Positionierung der Kühlkörper zueinander selbst ohne aufwändige Positionierungsvorrichtungen möglich. Die Kühlkörper können sich während der Montage passiv in die korrekte Lage zueinander positionieren. Der Fügespalt wird über die gesamte Länge gleichmäßig mit Fügemittel aufgefüllt, so dass es selbst bei einer Unterdosierung des Fügemittels nicht zu Hohlstellen im Fügespalt kommt. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Fügespaltes kann außerdem erreicht werden, dass vor dem Zusammenfügen der Kühlkörper auf die Fügeflächen aufgebrachtes Fügemittel beim Zusammenfügen bevorzugt im Fügespalt nach außen gedrückt wird, so dass es nicht zur Kontamination des Laserbarrens mit Fügemittel kommen kann. Dadurch kann sogar eine Überdosierung des Fügemittels tolerierbar sein. Ein weiterer Vorteil des Diodenlasermoduls besteht darin, dass die Kühlluft effektiv geführt wird. Dadurch kann man die Durchflussmenge der Kühlluft verringern, so dass weniger Partikel mitgeführt werden, die sich an der äußeren Fügemitteloberfläche des Fügespalts absetzen können. Dadurch wird in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Fügespalt die Kurzschlusswahrscheinlichkeit noch weiter vermindert.The diode laser module according to the invention has reliable electrical insulation between the heat sinks. An inexpensive joining agent can be used for the production. The requirements for the manufacturing tolerances are less demanding compared to the prior art, so that the manufacture of the module is more cost-effective. The inventive design of the joining gap enables particularly reliable and precise positioning of the heat sinks with respect to one another even without complex positioning devices. The heat sinks can be positioned passively in the correct position to each other during assembly. The joint gap is filled evenly over the entire length with the jointing agent, so that there are no voids in the jointing gap even if the jointing agent is underdosed. The design of the joining gap according to the invention can also achieve that, prior to joining the heat sinks, joining agent applied to the joining surfaces is preferably pressed outward in the joining gap when joining, so that the laser bar cannot be contaminated with joining agent. This can even tolerate an overdosing of the joining agent. Another advantage of the diode laser module is that the cooling air is guided effectively. This allows the flow rate of the cooling air to be reduced, so that fewer particles are carried along, which can settle on the outer surface of the joint gap. As a result, the likelihood of a short circuit is further reduced in connection with the joining gap according to the invention.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.Further advantageous embodiments are the subject of the respective subclaims.
Die Erfindung wird anhand der Figuren im Folgenden näher beschrieben.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Diodenlasermodul in der Vorderansicht -
2 zeigt den in1 gekennzeichneten Ausschnitt in vergrößerter Darstellung -
3 zeigt das Diodenlasermodul in seitlicher Schnittdarstellung -
4 zeigt einen ersten Kühlkörper, einen zweiten Kühlkörper und ein Laserdiodenelement in Vorderansicht zur Veranschaulichung der Bezeichnung der einzelnen Flächen -
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Diodenlasermoduls in Vorderansicht -
6 zeigt einen Klebspalt, bei dem die Verjüngung abschnittsweise ausgebildet ist
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1 shows an inventive diode laser module in front view -
2 shows the in1 marked section in an enlarged view -
3 shows the diode laser module in a side sectional view -
4 shows a first heat sink, a second heat sink and a laser diode element in front view to illustrate the designation of the individual surfaces -
5 shows a further embodiment of a diode laser module according to the invention in front view -
6 shows an adhesive gap in which the taper is formed in sections
Ein erstes Ausführungsbeispiel ist in den
Der Laserbarren
Das Laserdiodenelement
Die Fügespalte
Die Verjüngung der Fügespalte von außen nach innen wird durch die in
Der erste Kühlkörper
Die beiden Kühlkörper
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in
Die ersten und zweiten Fügeflächen
Das Diodenlasermodul weist eine runde Außenkontur mit einer Abflachung an der Oberseite des zweiten Kühlkörpers
Die Verjüngung kann sich über die gesamte Breite des Spaltes erstrecken oder auch nur über einen bestimmten Abschnitt des Spaltes. Eine solche weitere beispielhafte Ausbildung eines Fügespaltes ist in
In einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Laserdiodenelement
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Laserbarren beispielsweise nicht nur eine, sondern mehrere Epitaxiestrukturen übereinander aufweisen, die einen Stapel von parallelen Wellenleiterebenen bilden. Bei einer solchen Struktur wird die mittlere Ebene der einzelnen Wellenleiterebenen als Bezugsebene (Wellenleiterebene
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Diodenlasermoduldiode laser module
- 1010
- Laserdiodenelementlaser diode element
- 1111
- Laserbarrenlaser bars
- 1212
- erster Wärmespreizkörperfirst heat spreading body
- 1313
- zweiter Wärmespreizkörpersecond heat spreading body
- 1414
- p-seitige Kontaktfläche (Anode)p-side contact surface (anode)
- 1515
- n-seitige Kontaktfläche (Kathode)n-side contact surface (cathode)
- 1616
- Laserstrahl (Hauptstrahlrichtung); optische AchseLaser beam (main beam direction); optical axis
- 2020
- erster Kühlkörperfirst heat sink
- 2121
- erste Anlageflächefirst contact surface
- 2222
- erste Fügeflächefirst joining surface
- 2323
- Winkel zwischen zwei ersten FügeflächenAngle between two first joining surfaces
- 2525
- Seitenfläche der ersten AufnahmenutSide surface of the first receiving groove
- 2727
- Kühlrippencooling fins
- 3030
- zweiter Kühlkörpersecond heat sink
- 3131
- zweite Anlageflächesecond contact surface
- 3232
- zweite Fügeflächesecond joining surface
- 3333
- Winkel zwischen zwei zweiten FügeflächenAngle between two second joining surfaces
- 3434
- zweite Aufnahmenutsecond receiving groove
- 3535
- Seitenfläche der zweiten AufnahmenutSide surface of the second receiving groove
- 4040
- Fügemitteljoining means
- 4141
- erster Fügespaltfirst joint gap
- 4242
- zweiter Fügespaltsecond joint gap
- 4343
- innere Fügemitteloberflächeinner joint surface
- 4444
- äußere Fügemitteloberflächeouter joint surface
- 4545
- innerer Hohlraum zur Aufnahme überschüssigen Fügemittelsinternal cavity for taking up excess joining agent
- 4646
- äußerer Hohlraumouter cavity
- 4747
- erste Stelle zur Messung der Dicke des Fügespaltesfirst place to measure the thickness of the joint gap
- 4848
- zweite Stelle zur Messung der Dicke des Fügespaltessecond place for measuring the thickness of the joint gap
- 5050
- Außenmantelouter sheath
- 6060
- Distanzstückspacer
- 7070
- Luftstromairflow
- 8080
- Wellenleiterebene des LaserdiodenelementsWaveguide level of the laser diode element
- 8181
- Verjüngung von außen nach innen, Abschnitt des Klebspalts mit VerjüngungTaper from outside to inside, section of the adhesive gap with taper
- 8282
- Abschnitt des Klebspalts ohne VerjüngungSection of the adhesive gap without taper
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