DE4124413A1 - Subminiatur-hochleistungs-halbleiter-festkoerperlaser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Subminiatur-Hochleistungs- Halbleiter-Festkörperlaser mit einem laseraktiven Kristall in der Form eines optischen Resonators aus einem speziell für elektromagnetische Strahlung zur Erzeugung des Laser­ effekts dotierten Kristalls.

Bei bekannten Festkörperlasern, bei denen als laseraktives Material Rubinkristalle oder Neodym-Yttrium-Aluminiumgranat (Nd-YAG) dotierte Kristalle Verwendung finden, erfolgt die Anregung der stimulierten Lichtemission innerhalb des la­ seraktiven Kristalls durch eine Energiezufuhr von außen in Form intensiver Strahlung durch eine Hochleistungs-Anre­ gungslichtquelle (optisches Pumpen), bspw. durch eine Blitzlampe oder einen weiteren Laser.

Wird ein laseraktives Material, das durch die Anordnung zwischen zwei spiegelnden Flächen einen optischen Resonator bildet, optisch in entsprechender Weise angeregt, so ent­ steht ein optischer Generator für elektromagnetische Schwingungen im elektromagnetischen Frequenzbereich, beson­ ders im Bereich des optisch sichtbaren Spektrums. Über­ trifft dabei die Lichtverstärkung im laseraktiven Material die Verluste für einen Umlauf der zwischen Spiegeln hin- und herreflektierten Lichtwelle, so beginnt der Festkörper­ laser auf einer für das laseraktive Material charakteristi­ schen Wellenlänge zu schwingen, wobei sich zwischen den Spiegeln ein stehendes, elektromagnetisches, optisches Wel­ lenfeld bildet. Zur Auskoppelung des eigentlichen Laser­ strahls aus dem optischen Resonator ist einer der beiden Spiegel des optischen Resonators schwach durchlässig.

Die Dauer der Lichtemission bzw. der stehenden Welle hängt davon ab, wie lange die Hochleistungs-Anregungslichtquelle (Pumpwelle) die Oszillation im optischen Frequenzbereich durch entsprechende Einstrahlung aufrechterhalten kann.

Bekannte Festkörperlaser werden u. a. auf der Basis eines YAG-Kristalls (Yttrium-Aluminium-Granat-Kristall) herge­ stellt und durch Beleuchten mit Lampen angeregt. Dieses la­ seraktive Material arbeitet schon bei Zimmertemperatur und erreicht eine Ausgangsleistung von einigen Watt bis zu ei­ nigen Kilowatt bei Impulsbetrieb. Ein Dauerbetrieb bzw. Im­ pulsbetrieb ist jedoch nur unter hohem Energieeinsatz und entsprechend großen mechanischen Abmessungen des Festkör­ perlasers möglich.

Insbesondere im Dauerbetrieb treten bei gewünschten größe­ ren Ausgangsleistungen des Festkörperlasers von etwa 5 bis 30 Watt besondere Probleme in thermischer Hinsicht sowie in bezug auf die mechanischen Abmessungen auf. Infolge der für eine kontinuierliche Anregung der Oszillation im YAG-Kri­ stall des Festkörperlasers erforderlichen höheren Anre­ gungsleistung ist es schwierig, die entstehende Wärmemenge abzuführen, so daß hierbei üblicherweise ein ausreichend großes Gehäusevolumen bereitgestellt werden muß. Durch ein großes Gehäusevolumen und eine entsprechende Energieversor­ gung sind jedoch die Verwendbarkeit sowie die Handhabbar­ keit des Festkörperlasers für eine größere Leistung im Dau­ erbetrieb und damit auch im mobilen Einsatz stark einge­ schränkt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Anregung des la­ seraktiven Materials eines Halbleiter-Festkörperlasers der­ art vorzunehmen, daß bei sehr kleiner Baugröße des gesamten Halbleiter-Festkörperlasers eine hohe Dauerleistung und eine gute Handhabbarkeit erzielt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Sub­ miniatur-Hochleistungs-Halbleiter-Festkörperlaser, bei dem die optische Anregung durch eine Vielzahl von Leuchtdioden in Form von Halbleiterchips, deren Strahlung auf die Man­ telfläche des laseraktiven Kristalls gerichtet ist, er­ folgt.

Erfindungsgemäß erfolgt somit die optische Anregung des la­ seraktiven Kristalls, bspw. eines YAG-Kristalls, mit Hilfe einer Vielzahl von einzelnen Leuchtdioden in Form von Halb­ leiter LED-Chips, die derart angeordnet sind, daß die Strahlung jedes LED-Chips auf die Mantelfläche des laserak­ tiven Kristalls gerichtet ist und damit eine sehr gleichmä­ ßige Ausleuchtung und eine wirkungsvolle optische Anregung der Oszillation im laseraktiven Kristall gewährleistet ist.

Auf diese Weise ist es möglich, infolge der sehr geringen Baugröße der LED-Chips eine Vielzahl dieser Bauelemente in einem sehr kleinen Gehäuse des Subminiatur-Hochleistungs- Halbleiter-Festkörperlasers anzuordnen, wobei über die Summe der Einzelleistungen der LED-Chips die Ausgangslei­ stung des Subminiatur-Hochleistungs-Halbleiter-Festkörper­ lasers trotz sehr kleiner mechanischer Abmessungen bis in den Wattbereich, insbesondere auch im Dauerbetrieb bestimmt werden kann. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von LED-Chips eine mechanisch unempfindliche Ausführung des Subminiatur-Hochleistungs-Halbleiter-Festkörperlasers.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dargelegt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spiels mit Bezugnahme auf die Zeichnungen (1-4) näher be­ schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die Außenansicht des Subminiatur-Hochleistungs-Halb­ leiter-Festkörperlasers,

Fig. 2 eine Schnittansicht des Subminiatur-Hochleistungs­ Halbleiter-Festkörperlasers gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt des Subminiatur-Hochleistungs-Halb­ leiter-Festkörperlasers gemäß Fig. 1, und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der halbschalenförmi­ gen polygonen LED-Träger mit eingesetzten LED-Chips.

In Fig. 1, die eine Außenansicht des Ausführungsbeispiels des Subminiatur-Hochleistungs-Halbleiter-Festkörperlasers zeigt, ist mit 1 ein äußeres Gehäuse bezeichnet, das an der vorderen Stirnfläche eine Austrittsöffnung 2 für den Laser­ strahl 2a aufweist. Mit 1a ist eine Steckverbindung be­ zeichnet, die eine vorteilhafte Trennung des äußeren Gehäu­ ses 1 und einer Stromversorgung 4 mit einer Zuleitung 4a während des Transports ermöglicht. Die Zuleitung 4a besteht vorzugsweise aus einem hochflexiblen Silikonkabel mit Rein­ silberlitze, wobei die Möglichkeit besteht, die Zuleitung 4a zusätzlich mit Schläuchen zur Zuführung eines Kühlmedi­ ums zu versehen.

Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht des Subminiatur-Hochlei­ stungs-Halbleiter-Festkörperlasers, in der mit 7 ein la­ seraktiver Kristall mit zylindrischen Abmessungen, bspw. ein YAG-Kristall, bezeichnet ist. In konzentrischer Anord­ nung um diesen, vorzugsweise zylindrischen laseraktiven Kristall 7 befinden sich zwei halbschalenförmige polygone LED-Träger 5a und 5b, auf deren Innenseite jeweils in Rich­ tung der Längsachse des zylindrischen laseraktiven Kri­ stalls 7 Stromzuführungen 9 einer Polarität isoliert aufge­ bracht sind. Zwischen den Stromzuführungen 9 sind einzelne LED-Chips 6 angeordnet und auf den polygonen halbschalen­ förmigen LED-Trägern 5a und 5b leitend, sowohl elektrisch als auch hinsichtlich optimaler Wärmeableitung, montiert. Die jeweiligen Stromzuführungen 9 einer Polarität und die halbschalenförmigen polygonen LED-Träger anderer Polarität versorgen die einzelnen LED-Chips 6 mit Strom. Zu diesem Zweck werden die LED-Chips 6, die in Form von Halbleiter­ chips vorliegen, über Bonddrähte 9a mit den Stromzuführun­ gen 9 verbunden. Eine von den LED-Chips 6 abgegebene Strah­ lung 8 trifft im wesentlichen radial und senkrecht auf die Mantelfläche des zylindrischen, laseraktiven Kristalls 7.

Gemäß Fig. 3 ist der zylindrische, laseraktive Kristall 7 mittels Befestigungselementen 10 und 10a im äußeren Gehäuse 1 befestigt. Eine Kontaktplatte 11 verbindet die einzelnen, auf den halbschalenförmigen polygonen LED-Trägern 5a und 5b isoliert aufgebrachten Stromzuführungen 9 miteinander und stellt gleichzeitig eine leitende Verbindung mittels Strom­ zuführungskontakten 12, durch das hintere Befestigungsele­ ment 10a zur Steckverbindung 1a der Zuleitung 4a und damit zur Stromversorgung 4 her.

Eine Vielzahl der einzelnen LED-Chips 6 ist parallel zu den Stromzuführungen 9 elektrisch leitend auf den halbschalen­ förmigen polygonen LED-Trägern 5a und 5b befestigt, wie Fig. 4 in perspektivischer Darstellung zeigt.

Die beiden halbschalenförmigen polygonen LED-Träger 5a und 5b, von denen einer in Fig. 4 gezeigt ist, sind nach Ein­ passen in das äußere Gehäuse 1 ohne weitere Haltevorrich­ tung ausreichend befestigt.

Bei Einschalten der Stromversorgung 4, das bspw. mittels einer am äußeren Gehäuse 1 angebrachten Schalteinrichtung 3 erfolgen kann, dringt die von den LED-Chips 6 erzeugte Strahlung 8 durch die Mantelfläche in den laseraktiven Kri­ stall 7 ein und bewirkt in diesem eine Anregung des opti­ schen Resonators und damit die Erzeugung des gerichteten Laserstrahls 2a.

Durch die Tatsache, daß es sich bei der optischen Anregung um ein optisches Pumpen, vorzugsweise mittels UV-Strahlung, handelt, besteht die Möglichkeit der Anwendung verschieden dotierter laseraktiver Kristalle 7. Da grundsätzlich für die Anregung des Lasereffekts eine höherfrequente Anre­ gungsstrahlung zur Erzeugung eines breiten Spektrums an niederfrequenten, von der Dotierung des laseraktiven Kri­ stalls 7 abhängigen Laserstrahlen erforderlich ist, ist die Verwendung einer Anregungsstrahlung (Pumpenergie) im UV-Be­ reich vorteilhaft.

Die konzentrische Anordnung der LED-Chips 6 gewährleistet eine gleichmäßige Ausleuchtung und damit eine wirkungsvolle Anregung des optischen Resonators in Form des laseraktiven Kristalls 7, wobei gleichzeitig die mechanischen Abmessun­ gen sehr klein gehalten werden können, da auch auf einer sehr kleinen Fläche eine Vielzahl von LED-Chips 6 mittels einfacher, bekannter Fertigungsschritte montierbar sind. Wird der Subminiatur-Hochleistungs-Halbleiter-Festkörperla­ ser im Impulsbetrieb benutzt, so bestehen trotz der kleinen mechanischen Abmessungen keine thermischen Probleme infolge hoher Leistungsdichte.

Bei einem Kurzzeitbetrieb oder Dauerbetrieb des Subminia­ tur-Hochleistungs-Halbleiter-Festkörperlasers sind entspre­ chend der tatsächlich erreichten Betriebsdauer Maßnahmen zur Kühlung erforderlich.

In diesem Fall beeinflussen die Maßnahmen zur Kühlung, wie Kühlrippen am äußeren Gehäuse 1 oder Mikrokanäle für Kühl­ medien in den polygonen, halbschalenförmigen LED-Trägern 5a und 5b oder in dem Zwischenraum zwischen dem äußeren Ge­ häuse 1 und den polygonen, halbschalenförmigen LED-Trägern 5a und 5b die gesamten mechanischen Abmessungen des Submi­ niatur-Hochleistungs-Halbleiter-Festkörperlasers nur unwe­ sentlich, so daß die erwünschte geringe Baugröße trotz ho­ her Ausgangsleistung des Laserstrahls 2a erhalten bleibt.

Zur Erzielung einer Ausgangsleistung des Laserstrahls 2a von etwa 1,5 Watt im grünen Bereich (lambda = 510-560 nm, abhängig von der Dotierung des laseraktiven Kristalls) sind bei der Realisierung etwa 4800 einzelne LED-Chips mit einer Strahlung im Blau/Grün-Bereich (lambda = 480-540 nm) er­ forderlich, wobei der Subminiatur-Hochleistungs-Halbleiter-Fest­ körperlaser in diesem Fall eine Länge des äußeren Ge­ häuses 1 von etwa 90 mm und einen Durchmesser von etwa 15 mm aufweist.

Da es sich hierbei um eine sehr kompakte Bauform in Ver­ bindung mit einem selbst für diese Anordnung recht hohen Leistungsbedarf in bezug auf die geringen mechanischen Ab­ messungen handelt, ist das vorstehend beschriebene Aus­ führungsbeispiel durch die thermische Belastbarkeit der einzelnen Bauteile bestimmt und kann bei entsprechenden Maßnahmen zur Sicherung einer ausreichenden Kühlung (Kühlrippen, Mikrokanäle für Kühlmedien, Aussparungen im halbschalenförmigen polygonen LED-Träger) bei einer Vergrößerung der Anzahl der LED-Chips 6 auf einfache Weise erreicht werden. Ebenso können zur Leistungssteigerung mehrere Einheiten aus den halbschalenförmigen polygonen LED-Trägern 5a und 5b und den dazugehörigen laseraktiven Kristallen 7, mittels entsprechender Optiken hintereinander geschaltet bzw. kaskadiert werden.

Durch die sehr geringe Baugröße des Subminiatur-Hochlei­ stungs-Halbleiter-Festkörperlasers ist eine gute Handhab­ barkeit auch im mobilen Einsatz gewährleistet, insbesondere im Hinblick auf die Stromversorgung 4, die hierbei prob­ lemlos mit üblichen Niedervoltakkumulatoren erfolgen kann, da die LED-Chips 6 zum Betrieb und somit auch zur Anregung des laseraktiven Kristalls 7 keine Hochspannung benötigen.

Durch die Verwendung von Bauteilen mit unterschiedlichen Parametern, sowohl der Anregungslichtquelle in Form der LED-Chips 6 als auch des laseraktiven Kristalls 7 in Verbindung mit einem möglichen Frequenzverdopplerkristall am Auskoppelspiegel des Resonators eignet sich der Subminiatur-Hochleistungs-Halbleiter-Festkörperlaser für eine Vielzahl von speziellen Anwendungen.

Claims (14)

1. Subminiatur-Hochleistungs-Halbleiter-Festkörperlaser mit einem laseraktiven Kristall (7) in der Form eines opti­ schen Resonators aus einem speziell für elektromagnetische Strahlung zur Erzeugung des Lasereffekts dotierten Kri­ stalls, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Anregung durch eine Vielzahl von Leuchtdioden in Form von Halbleiter-LED-Chips (6), deren Strahlung (8) auf die Mantelfläche des laseraktiven Kristalls (7) gerich­ tet ist, erfolgt.

2. Subminiatur-Hochleistungs-Halbleiter-Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung (8) der LED-Chips (6) zur hochfrequenten Anregung des la­ seraktiven Kristalls (7) im UV-Bereich liegt.

3. Subminiatur-Hochleistungs-Halbleiter-Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die LED-Chips (6) auf den Innenflächen eines um den laseraktiven Kristall (7) konzentrisch angeordneten polygonen LED-Trägers (5a, 5b) befestigt sind.

4. Subminiatur-Hochleistungs-Halbleiter-Festkörperlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der polygone LED-Träger (5a, 5b) aus zwei Halbschalen besteht.

5. Subminiatur-Hochleistungs-Halbleiter-Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Strahlung (8) der LED-Chips (6) optimal auf die Absorp­ tion und damit die Umwandlung der Anregungsenergie im la­ seraktiven Kristall (7) zur Erzielung einer maximalen Aus­ gangsleistung abgestimmt ist.

6. Subminiatur-Hochleistungs-Halbleiter-Festkörperlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Stromzufüh­ rungen (9) einschließlich der halbschalenförmigen polygonen LED-Träger (5a, 5b) zur effektiveren Stromzuführung und besseren Wärmeableitung in Reinsilber ausgeführt sind.

7. Subminiatur-Hochleistungs-Halbleiter-Festkörperlaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Kontaktplatte (11) auch an der Frontseite der halbschalen­ förmigen polygonen LED-Träger (5a, 5b) angebracht ist, wel­ che über eine ausreichende Querschnittsvergrößerung von ei­ nigen Stromzuführungen (9) eine günstigere, effektivere Stromzuführung der LED-Chips (6) insbesondere bei einer größeren Anzahl der LED-Chips (6) gewährleistet ist.

8. Subminiatur-Hochleistungs-Halbleiter-Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einem äuße­ ren Gehäuse (1) eine Schalteinrichtung (3) zum Einschalten der Stromversorgung (4) vorgesehen ist.

9. Subminiatur-Hochleistungs-Halbleiter-Festkörperlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil der Innenfläche der halbschalenförmigen polygonen LED-Träger (5a, 5b), der nicht mit LED-Chips (6) bedeckt ist, zur Re­ flektion diffuser Strahlung (8) der LED-Chips (6) entspre­ chend verspiegelt ist.

10. Subminiatur-Hochleistungs-Halbleiter-Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kaskadie­ rung der halbschalenförmigen polygonen LED-Träger (5a, 5b) und der entsprechenden laseraktiven Kristalle (7) eine Lei­ stungssteigerung ermöglicht.

11. Subminiatur-Hochleistungs-Halbleiter-Festkörperlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mikrokanäle für Kühlmedien in den halbschalenförmigen polygonen LED-Trägern (5a, 5b) angebracht sind.

12. Subminiatur-Hochleistungs-Halbleiter-Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium durch entsprechende Zuführungen, die zusammen mit den Ver­ sorgungsstromleitungen in der Zuleitung (4a) angebracht sind, dem Subminiatur-Hochleistungs-Halbleiter-Festkörper­ laser zugeführt wird.

13. Subminiatur-Hochleistungs-Halbleiter-Festkörperlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die halbscha­ lenförmigen polygonen LED-Träger (5a, 5b) an ihrer Außen­ seite Aussparungen in Längsrichtung aufweisen, so daß Kühlkanäle zwischen den halbschalenförmigen polygonen LED-Trägern (5a, 5b) und dem äußeren Gehäuse (1) zur Durchlei­ tung des Kühlmediums ausgebildet sind.

14. Subminiatur-Hochleistungs-Halbleiter-Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine optimale elektrische Leistungsanpassung durch eine einfache oder mehrfache Reihenschaltung einzelner oder mehrerer Segmente der halbschalenförmigen polygonen LED-Träger (5a, 5b) er­ folgt.