DE102004057454A1

DE102004057454A1 - Diodenlasermodul und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102004057454A1
Application number: DE102004057454A
Authority: DE
Inventors: Hartmut G. Dr. Hänsel; Petra Hennig; Guido Dr. Bonati; Dirk Dr. Lorenzen
Original assignee: Jenoptik Laserdiode GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2004-11-25
Filing date: 2004-11-25
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2024-11-26
Also published as: US20060109882A1; US7483456B2; DE102004057454B4

Abstract

Bei einem Diodenlasermodul und einem Verfahren zu dessen Herstellung besteht die Aufgabe, die für die Kollimation, Strahlformung und/oder Strahlumordnung der Strahlung eines Laserdiodenelementes benötigten optischen Elemente mit höherer Reproduzierbarkeit und langzeitstabil optisch ausgerichtet zu fixieren, wobei der optisch ausgerichtete Zustand durch eine aufeinander folgende Justierung der optischen Elemente im Strahl des eingeschalteten Laserdiodenelementes hergestellt wird. Es soll gewährleistet sein, dass die Fixierung in einem zumindest teilautomatisierten Prozess erfolgen kann. DOLLAR A Auf einem zur Kühlung des Laserdiodenelementes dienenden wärmeabführenden Träger ist mindestens ein Zwischenträger aufgebracht, dessen Wärmeleitfähigkeit die des wärmeabführenden Trägers unterschreitet und auf dessen Oberfläche die Ausrichtung der optischen Komponenten und die Fixierung durch sequentielles Löten erfolgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Diodenlasermodul, das auf einem gemeinsamen wärmeabführenden Träger mindestens ein kontaktiertes Laserdiodenelement und optische Komponenten enthält.
Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Diodenlasermoduls, das auf einem gemeinsamen wärmeabführenden Träger mindestens ein kontaktiertes Laserdiodenelement und optische Komponenten enthält, wobei die optischen Komponenten im Betriebszustand des Laserdiodenelementes ausgerichtet und nachfolgend fixiert werden.

Laserdiodenelemente umfassen Einzellaserdioden und Laserdiodenbarren. Einzellaserdioden besitzen nur einen einzigen Laserdiodenemitter, der sich durch ein optisch zusammenhängendes aktives Gebiet definiert. Laserdiodenbarren sind monolithische Halbleiterlaser-Anordnungen von mindestens zwei optisch im wesentlichen voneinander unabhängig betriebsfähigen Laserdiodenemittern. Die laterale Ausdehnung von Laserdiodenbarren ist abhängig von der Breite, dem Abstand und der Anzahl der Emitter. Typische Breiten liegen im Bereich von 1 bis 15 mm.

Bekanntermaßen bereiten Laserdiodenelemente aufgrund ihrer schlechten Strahlpropagationseigenschaften in der praktischen Anwendung Schwierigkeiten.

Es ist daher fast immer erforderlich, die von dem Laserdiodenelement ausgehende Strahlung unter Ausnutzung der hohen Leistung und des günstigen Wirkungsgrades optisch in geeigneter Form zu transformieren, so dass sie für den beabsichtigten Zweck brauchbar wird.

Die zur Kollimation, Strahlformung und/oder Strahlumordnung dienenden Optiken werden bisher meist durch eine aufeinanderfolgende Justierung im Strahl des eingeschalteten Laserdiodenelementes ausgerichtet und im ausgerichteten Zustand nacheinander fixiert.

Erfolgt die Fixierung durch Klebung, besteht der Nachteil, dass Ausgasungen die optischen Schichten negativ beeinflussen können. Außerdem ist die Klebetechnologie wegen langer Aushärtungszeiten nur begrenzt automatisierbar. Ferner können Schrumpfungen, die beim Aushärten der verwendeten Klebemittel auftreten, zu einer unerwünschten Positionsänderung der Optiken führen, so dass die optischen Eigenschaften nicht denjenigen der Optimalposition entsprechen.

Während diese Nachteile einer zuverlässigen Montage mit einer reproduzierbaren Qualität entgegenstehen, beschränkt das zur Versprödung führende ungünstige Alterungsverhalten der Klebemittel die Lebensdauer der Klebeverbindungen. Gewünschte Langzeitanwendungen sind somit ausgeschlossen oder zumindest stark eingeschränkt.

Es besteht deshalb die Aufgabe, die für die Kollimation, Strahlformung und/oder Strahlumordnung der Strahlung eines Laserdiodenelementes benötigten optischen Elemente mit höherer Reproduzierbarkeit und langzeitstabil optisch ausgerichtet zu fixieren, wobei der optisch ausgerichtete Zustand durch eine aufeinanderfolgende Justierung der optischen Elemente im Strahl des eingeschalteten Laserdiodenelementes hergestellt wird. Es soll gewährleistet sein, dass die Fixierung in einem zumindest teilautomatisierten Prozess erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Diodenlasermodul der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass auf dem wärmeabführenden Träger mindestens ein Zwischenträger aufgebracht ist, dessen Wärmeleitfähigkeit die des wärmeabführenden Trägers unterschreitet und auf dessen Oberfläche mindestens eine optische Komponente über mindestens eine Lötverbindungsstelle befestigt ist.

Bevorzugt kann ein als optische Bank ausgebildeter Zwischenträger vorgesehen sein, auf dem die Lötverbindungsstellen beabstandet zueinander angeordnet vorgesehen sind.

Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass der Zwischenträger erhabene Bereiche mit in einer gemeinsamen Ebene liegenden Oberflächen aufweist, auf denen sich die Lötverbindungsstellen befinden. Insbesondere kann der Zwischenträger als Zahnstange ausgebildet sein.

Sind die optischen Komponenten mit Optikfassungen versehen, ist es vorteilhaft, wenn der Zwischenträger aus optisch transparentem Material besteht, so dass zum Löten ein Laserstrahl durch das transparente Material hindurch auf eine Lötverbindungsstelle zur Verbindung des Zwischenträgers mit den optischen Komponenten gerichtet werden kann.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Zwischenträger zumindest teilweise als strahlumkehrender Prismenstumpf ausgebildet ist, auf dessen Basisfläche sich die Lötverbindungsstellen befinden und der über seine parallel zur Basisfläche verlaufende Fläche mit dem wärmeabführenden Träger verbunden ist. Ein geeignetes Material für den strahlungsdurchlässigen Zwischenträger ist Glas, welches eine ausreichende thermische Isolierung gegenüber dem wärmeabführenden Träger und zwischen den optischen Komponenten erzielt.

Sind die optischen Komponenten zumindest teilweise strahlungsdurchlässig, kann der Zwischenträger aus strahlungsundurchlässigem Material bestehen.

Die oben stehende Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung eines Diodenlasermoduls der eingangs genannten Art gelöst, indem auf dem wärmeabführenden Träger mindestens ein Zwischenträger aufgebracht wird, dessen Wärmeleitfähigkeit die des wärmeabführenden Trägers unterschreitet und auf dessen Oberfläche die Ausrichtung der optischen Komponenten und die Fixierung durch sequentielles Löten erfolgt.

Insbesondere kann die Fixierung durch lokal begrenztes Löten über mindestens eine selektive Lötverbindungsstelle auf mindestens einem Zwischenträger erfolgen, wobei ein durch die lokale Begrenzung bestimmter Flächenbereich den Flächenbereich der Fügeflächen auch um mehr als 90% unterschreiten kann.

Vorteilhaft lässt sich der Lötprozess automatisieren, insbesondere wenn das Löten bevorzugt durch Energiezufuhr mittels Laserstrahl durchgeführt wird (Laserstrahllöten). Eine negative Beeinflussung optischer Schichten durch die bei Verwendung von Klebstoffen auftretenden Ausgasungen kann vermieden werden. Nach der Fixierung liegen langzeitstabile Verbindungen vor.

Um Längentoleranzen bei den optischen Komponenten zu beherrschen, können diese durch unterschiedliche Lotvolumina, z. B. durch unterschiedliche Lotpreformdicken ausgeglichen werden.

Die material- und optional formbestimmte Wärmeisolationsfunktion des Zwischenträgers gewährleistet ein lokales sequenzielles Löten der optischen Komponenten oder gehalterter optischer Komponenten, ohne dass Lötverbindungen bei einer nachfolgenden Lötung thermisch derart beansprucht werden, dass sie wieder aufschmelzen. Ferner kann durch eine bevorzugte Verwendung niedrig schmelzender Lote – insbesondere Weichlote – die Lottemperatur und die thermische und thermomechanische Beanspruchung der Fügepartner gering gehalten werden.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine erste Ausführung für die Fixierung von optischen Komponenten auf Zwischenträgern, die als Zahnstangen ausgebildet sind
2 die Fixierung von gefassten optischen Komponenten
3 einen als optisches Umlenkelement ausgebildeten Zwischenträger
4 seitlich zu den optischen Komponenten angeordnete Zwischenträger
5 als Widerstandsheizelemente ausgebildete Zwischenträger
Auf einem wärmeabführenden Träger 1, z. B. aus Kupfer, sind zur Aufnahme von optischen Komponenten 2 (z. B. Linsen) für die Strahlformung und/oder Strahlumordnung der von einem Laserdiodenelement 3, ausgehenden Strahlung Zwischenträger 4 aufgebracht, deren Wärmeleitfähigkeit geringer ist als die des wärmeabführenden Trägers 1, wodurch die Zwischenträger 5 eine Wärmeisolationsfunktion ausüben.
Ohne Beschränkung des erfindungswesentlichen Gedankens sind die kontaktierten Laserdiodenelemente 3 in 1 und 2 zur besseren Veranschaulichung nur mit einem einzelnen Kontaktelement 3a dargestellt, welches zwischen dem vorzugsweise als Laserdiodenbarren ausgebildeten Laserdiodenelement 3 und dem Träger 1 angeordnet ist.
In einer ersten Ausführung bestehen die als Zahnstangen paarweise ausgebildeten Zwischenträger 4 vorzugsweise aus elektrisch isolierendem Material, wie z. B. Glas oder Keramik.
Die optischen Komponenten 2 weisen auf einer Seite, mit der eine Verbindung mit einem Zwischenträger 4 hergestellt werden soll, Metallisierungsschichtsysteme z. B. der Folge Titan, Platin, Gold auf, die in Abhängigkeit von der Größe der optischen Komponenten 2 zur Herstellung einer Lötverbindung zu mindestens einer, z. B. über Lotpads gebildeten Lötverbindungsstelle 5 geeignet sind. Die Lötverbindungsstellen 5 sind beabstandet zueinander auf den Zwischenträgern 4, hier auf den Zähnen 6 der Zahnstangen aufgebracht.
Die Lötverbindungen werden bei dieser Ausführung bevorzugt mittels örtlich begrenzt eingebrachter Laserstrahlung L hergestellt, indem durch die strahlungsdurchlässige optische Komponente 2 hindurchgestrahlt wird. Durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit und die Strukturierung der aus Glas oder Keramik gefertigten Zwischenträger 4 können aufgrund einer thermischen Isolierung der Lötverbindungsstellen 5 untereinander und gegenüber dem zur Kühlung des Laserdiodenelementes 3 benötigten Trägers 1 verschiedene optische Komponenten 2 nacheinander durch sequentielles Löten lokal begrenzt fixiert werden, ohne dass eine Aufschmelzung einer vorangegangenen Lötung auftritt.
In einer weiteren Ausführung sind die optischen Komponenten 2 bereits mindestens paarweise durch seitliche Brückenelemente 7, 8 miteinander verbunden. Zur Verbindung der Brückenelemente 7, 8 mit den optischen Komponenten 2 eignen sich bevorzugt laserinitiierte Lötverbindungen mit höher schmelzenden Loten, wie z. B. Gold-Zinn. Die miteinander verbundenen optischen Komponenten 2 werden über die Brückenelemente 7, 8 mit mindestens einer Lötverbindungsstelle 5 verbunden, von der mehrere beabstandet zueinander auf einem, auf dem wärmeabführenden Träger 1 aufgebrachten schichtenförmigen Zwischenträger 9 angeordnet sind.
Bei einer dritten Ausführung gemäß 3 sind Zwischenträger 10 aus optisch transparentem Material vorgesehen, um eine Zuführung lokal begrenzter Laserstrahlung L zu mindestens einer Lötverbindungsstelle 5 zu gewährleisten, wenn die optischen Komponenten 2 so von einer Optikfassung F umschlossen sind, dass sie nicht in Richtung auf die Lötverbindungsstelle 5 durchstrahlt werden können.
Die als strahlumkehrende Prismenstümpfe ausgebildeten Zwischenträger 10 weisen zwei um 90° zueinander geneigte reflektierende Umlenkflächen 11, 11' und 12, 12' und zwei zueinander parallele Flächen 13, 13' und 14, 14' auf, von denen eine erste Fläche 13, 13' über eine Verbindungsschicht 15, 15' mit dem wärmeabführenden Träger 1 verbunden ist. Auf der zweiten Fläche 14, 14', der Basisfläche der Primenstümpfe, befinden sich zueinander beabstandet die Lötverbindungsstellen 5 für die Befestigung der im Laserstrahl des Laserdiodenelementes 3 ausgerichteten optischen Komponenten 2, zu denen ein auf die Basisfläche gerichteter Laserstrahl L über die reflektierenden Umlenkflächen 11, 11' und 12, 12' durch eine 180°-Umlenkung geführt wird.
Gemäß 4 können auch seitlich zu den optischen Komponenten 2 positionierte Zwischenträger 16 vorgesehen sein, durch die der Laserstrahl L ohne Umlenkung direkt auf die Lötverbindungsstelle 5 gerichtet wird.
Schließlich ist gemäß 5 ein Diodenlasermodul vorgesehen, bei dem auf thermisch isolierenden Zwischenträgern 17 aufliegende wärmeübertragende Schichtenbereiche 20, 20' als vermittelndes Element zur Bereitstellung von Wärme am Ort der Lötverbindungsstelle 5 dienen. Die Schichtbereiche 20, 20' können durch Beaufschlagung mit Wärme erhitzt werden oder durch Zufuhr elektrischer Energie als Widerstandsheizelemente wirken.

Claims

Diodenlasermodul, das auf einem gemeinsamen wärmeabführenden Träger mindestens ein kontaktiertes Laserdiodenelement und optische Komponenten enthält, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem wärmeabführenden Träger (1) mindestens ein Zwischenträger (4, 9, 10, 16, 17) aufgebracht ist, dessen Wärmeleitfähigkeit die des wärmeabführenden Trägers (1) unterschreitet und auf dessen Oberfläche mindestens eine optische Komponente (2) über mindestens eine Lötverbindungsstelle (5) befestigt ist.
Diodenlasermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Komponenten (2) mit Optikfassungen (F) versehen sind.
Diodenlasermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein als optische Bank ausgebildeter Zwischenträger (4) vorgesehen ist, auf dem die Lötverbindungsstellen (5) beabstandet zueinander angeordnet vorgesehen sind.
Diodenlasermodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenträger (4) erhabene Bereiche mit in einer gemeinsamen Ebene liegenden Oberflächen aufweist, auf denen die Lötverbindungsstellen (5) vorgesehen sind.
Diodenlasermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Zwischenträger (4) mindestens eine Zahnstange vorgesehen ist.
Diodenlasermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenträger (10) aus optisch transparentem Material besteht.
Diodenlasermodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenträger (10) zumindest teilweise als strahlumkehrender Prismenstumpf ausgebildet ist, auf dessen Basisfläche sich die Lötverbindungsstellen (5) befinden und der über seine parallel zur Basisfläche verlaufende Fläche (13, 13') mit dem wärmeabführenden Träger (1) verbunden ist.
Diodenlasermodul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenträger (10, 16) aus Glas besteht.
Diodenlasermodul nach einem der Ansprüche 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Komponenten (2) zumindest teilweise strahlungsdurchlässig sind und der Zwischenträger (4, 9) aus strahlungsundurchlässigem Material besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Diodenlasermoduls, das auf einem gemeinsamen wärmeabführenden Träger mindestens ein kontaktiertes Laserdiodenelement und optische Komponenten enthält, wobei die optischen Komponenten im Betriebszustand des Laserdiodenelementes ausgerichtet und nachfolgend fixiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem wärmeabführenden Träger mindestens ein Zwischenträger aufgebracht wird, dessen Wärmeleitfähigkeit die des wärmeabführenden Trägers unterschreitet und auf dessen Oberfläche die Ausrichtung der optischen Komponenten und die Fixierung durch sequentielles Löten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierung durch lokal begrenztes Löten über mindestens eine selektive Lötverbindungsstelle auf mindestens einem Zwischenträger erfolgt, wobei ein durch die lokale Begrenzung bestimmter Flächenbereich den Flächenbereich der Fügeflächen unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Löten durch Energiezufuhr mittels Laserstrahl erfolgt.