DE69201715T2

DE69201715T2 - Laserapparat mit stabilisierbarer Temperatur.

Info

Publication number: DE69201715T2
Application number: DE69201715T
Authority: DE
Inventors: Mark David Bedzyk; James Glenn Davis; Gregory Norman Heiler
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1991-11-15
Filing date: 1992-11-11
Publication date: 1995-10-26
Anticipated expiration: 2012-11-12
Also published as: EP0542379A1; JP2761333B2; EP0542379B1; DE69201715D1; US5197076A; JPH05218596A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Laservorrichtung und insbesondere auf eine temperaturstabilisierbare Laservorrichtung mit einer athermischen Halterung zur Aufnahme des Lasers und zur Erleichterung von dessen Temperaturstabiiisierung.
Die Erfindung ist insbesondere für den Einsatz in einem optischen Kopf mit einer Laserdiode geeignet, die ein Lichtbündel ausreichender Stärke für Laserbelichtungszwecke bereitstellt. Andere Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind dort denkbar, wo der Betrieb einer Laserdiode außerhalb thermischer Ausfälle wünschenswert ist. Zu dieser Anwendung kann die optische Kommunikation zählen sowie Anwendungen, in denen den thermischen Ausfallarten unterliegende, elektrisch betriebene Laser eingesetzt werden.
Verschiedene athermische Halterungen wurden entwickelt, um eine Laserdiode bei einer konstanten Temperatur bei wechselnder Umgebungstemperatur und Betriebsstrom zu halten. Diese Halterungen umfaßten Einrichtungen zur Bewahrung des Fokusabstandes, so daß die gewünschte Querschnittsgröße der optischen Strahlenbündel erhalten bleibt, um bei Einsatz derartiger Strahlenbündel in Laserprintern die Punktgröße zu bewahren. Typischerwelse umfassen die Konstruktionen eine Baugruppe mit der Laserdiode und einer thermoelektrischen Kühlvorrichtung. Ein Temperatursensor in Form eines diskreten Bauelements, normalerweise ein Thermistor, befindet sich in der Baugruppe und muß auf die Temperatur der Baugruppe ansprechen, um Änderungen in der Temperatur des Lasers nachzuverfolgen. Der thermische Widerstand zwischen dem Thermistor und dem Laser sowie die thermische Masse oder Kapazitanz der Baugruppe stehen dem schnellen Ansprechen auf jegliche Temperaturänderungen entgegen. Die Temperaturstabilität des Lasers wird daher nicht so nahe an einer für den ausfallsicheren Betrieb des Lasers erforderlichen Temperatur gehalten.
Ein anderer Nachteil der vorgeschlagenen, athermischen Halterungskonstruktionen besteht in deren Anfälligkeit gegenüber thermischen Gradienten in senkrechter Richtung zur optischen Achse, entlang der der Laserstrahl projiziert wird. Diese thermischen Gradienten erschweren die Konstruktion des Fokuskorrekturmechanismus unter Verwendung verschiedener Materialien für zueinander bewegliche Bauglieder (innere und äußere Fassungen) einer optischen Baugruppe mit einer Linse oder mit mehreren Linsen, die den Strahl von der Laserdiode sammeln. Konstruktionen, die innere oder äußere Fassungen verschiedenen Materials benutzen, werden in US-A-4,948,221 und US-A- 4,993,801 beschrieben.
Verschiedene athermische Halterungskonstruktionen und Schaltungskonstruktionen zur Regelung der Temperatur des Lasers in der Halterung (durch Einspeisung von Strom in eine thermoelektrische oder Peltier-Kühlvorrichtung) werden im zuvor genannten US-A-4,948,221 und US-A-4,993,801 sowie in folgenden US-Patenten beschrieben: US-A-5, 042, 042; US-A-5, 029, 335; US-A-5,019,769; US-A-5, 005,178; US-A-4,924,471; US-A-4,922,480; US-A-4,910,741; US-A-4,884,279; US-A-4,803,689; US-A-4,661,959; US-A-4, 656, 635; US-A-4,061,728; US-A-4,604,753; US-A-4, 399, 541 und US-A-4, 338,577.
Die Schwächen vorhandener athermischer Halterungskonstruktionen hinsichtlich der Temperaturstabilisierung werden durch die Notwendigkeit verstärkt, die Laserdiode und die thermoelektrische Kühlvorrichtung in der Halterung zu verdrahten. Durchgänge für die Verdrahtung können Wärmebrücken verursachen und thermische Gradienten erzeugen, die die Leistung des optischen Korrekturmechanismus beeinträchtigen.
Es stellt sich daher das Problem, eine verbesserte temperaturstabilisierte Laservorrichtung bereitzustellen, in der die Laserdiode so befestigt und angeordnet ist, daß der thermische Widerstand verringert und die thermische Masse oder Kapazitanz verkleinert wird, um eine schnelle Stabilisierung der Temperatur des Lasers aufgrund von Anderungen in der Umgebungstemperatur, des Laserbetriebsstroms oder anderer Parameter zu ermöglichen.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher eine verbesserte athermische Halterung für eine Laserdiode, in der die eingangs genannten Schwächen und Nachteile im wesentlichen beseitigt sind.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt einen verbesserten, temperaturstabilisierbaren Laser und insbesondere eine athermische Halterung mit einer Laserdiode bereit, in der der Laser und die Temperaturfühlerelemente integrierte Bestandteile einer integrierten Dickschicht-Hybridschaltung sind.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung stellt eine verbesserte athermische Laserdiodenhalterung mit einem Chip bereit, bei dem die Diode ein integrierter Bestandteil der Halterung ist, wobei die Temperaturfühlerelemente vorzugsweise aus temperaturempfindlichen Dickschichtmaterialien aufgebaut sind, die auf dem Chip so angeordnet sind, daß sie schnell auf Temperaturänderungen und insbesondere auf Anderungen ansprechen können, die mit einer thermoelektrischen Kühlvorrichtung korrigiert werden müssen, mit der der Chip in Berührung ist.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung stellt eine athermische Laserdiodenhalterung mit einer Dickschicht-Hybridschaltung bereit, bei der die Diode ein integrierter Bestandteil ist, die die elektrischen Verbindungen zwischen der Diode und einer externen Schaltung erleichtert, indem Anschlüsse entlang einer Kante des Chips bereitgestellt werden, zu denen die Drähte problemlos in der Halterung geführt werden können.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer athermischen Laserdiodenhalterung, in der die Laserdiode Teil einer integrierten Dickschicht-Hybridschaltung ist, in der die Diode und eine optische Baugruppe in einer gemeinsamen Bezugsebene senkrecht zur optischen Achse eingeschränkt sind, entlang der der Laserstrahl verläuft, um damit thermische Gradienten zu minimieren, die Anderungen in der Strahlenlage bewirken können, und zwar mit Ausnahme der optischen Achse, womit die Konstruktion der optischen Baugruppe der Halterung vereinfacht wird.
Die erfindungsgemäße temperaturstabilisierbare Laservorrichtung umfaßt folgendes:
eine in einem Gehäuse untergebrachte Laserdiodeneinrichtung; und
eine thermoelektrische Kühlvorrichtung;
dadurch gekennzeichnet, daß ein Dickschicht-Hybridchip zwischen der Laserdiodeneinrichtung und der thermoelektrischen Kühlvorrichtung und in Wärmekontakt mit dem Gehäuse angeordnet ist, wobei der Chip ein Substrat aus wärmeleitendem und elektrisch isolierendem Material mit einer Vielzahl von darauf ausgebildeten Leiterbahnen aufweist, wobei die Endabschnitte der Leiterbahnen eine Vielzahl von Anschlußpunkten bilden, wobei Abschnitte der Leiterbahnen mit der Laserdiodeneinrichtung in elektrischem Kontakt stehen und andere Bahnen in einer über einen Flächenbereich des Substrats verteilten Schaltung verlaufen, die temperaturempfindliches Material enthält, das sich über verschiedene voneinander beabstandete Bereiche des Substrats erstreckt;
und daß sich eine Seite der thermoelektrischen Kühlvorrichtung mit den Bereichen, über die das temperaturempfindliche Material verteilt ist, in Kontakt mit dem Substrat befindet.
Auf dem Substrat, ist vorzugsweise auf der Seite, die der Seite gegenüberliegt, auf der der Laser angeordnet ist, temperaturempfindliches Material verteilt, das sich entlang verschiedener Bereiche des Substrats erstreckt, die voneinander beabstandet sind, und die eine verteilte Schaltung zur Erkennung der Temperatur des Lasers bilden, ohne eingreifende Teile oder Elemente, die einen thermischen Widerstand bilden oder eine thermische Masse oder Kapazitanz bilden, die die Stabilisierung der Temperatur des Lasers durch eine thermoelektrische Kühlvorrichtung beeinträchtigen können, die in Berührung mit dem Chip entlang der Seite des Substrats angeordnet ist, auf der sich die verteilte Schaltung befindet.
Eine Montageplatte mit einer Vertiefung, in der der Laser und der integrierte Schaltungs-Chip angeordnet sind, hat eine durch Flächen gebildete Bezugsfläche, gegen die sich der Laser und eine optische Baugruppe zur Fokussierung und damit zur Kollimierung des aus dem Laser austretenden Lichtes zu einem Strahlenbündel drücken und somit die Wirkung von thermischen Gradienten in einer quer zu dem Strahlenbündel liegenden Richtung verringern und die thermische Fokuskorrektur durch die optische Baugruppe erleichtern.
Ein Kühlkörper ist ebenfalls auf der Platte befestigt und wird in wärmeleitendem Kontakt mit der Kühlvorrichtung gehalten, wobei diese zwischen Chip und Kühlkörper angeordnet ist. Die Führung der Drähte wird durch Öffnungen in der Montageplatte erleichtert, die der Seite des Chips gegenüberliegt, entlang der die Anschlußpunkte herausragen. Isoliermaterial um Chip und Kühlvorrichtung innerhalb der Platte reduzieren ffihermische Verluste und unerwünschte thermische Gradienten in der Halterung weiter.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Schemazeichnung der integrierten Dickschicht-Hybridschaltung, Laserdiode und der thermoelektrischen Kühlvorrichtung und verbunden mit den Schaltungen, die den Laser elektrisch betreiben und dessen Temperatur regeln;
Fig. 2 ein Blockdiagramm der in Fig. 1 gezeigten Lasertemperatur-Regelschaltung (LTCC);
Fig. 3 eine Schnittansicht entlang einer allgemein horizontal diametralen Ebene durch eine erfindungsgemäß konstruierte athermische Halterung;
Fig. 4 eine auseinandergezogene Darstellung der Elemente der in Fig. 3 gezeigten athermischen Halterung, mit Ausnahme der optischen Baugruppe;
Fig. 5 eine Draufsicht der Stirnseite des Substrats des hybriden Dickschicht-Chips;
Fig. 6 eine Draufsicht der Rückseite des Substrats von dem in Fig. 5 gezeigten Chip.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird eine Laserdiode 10 gezeigt, bei der es sich um einen elektrisch betriebenen Laser in einem allgemein zylinderförmigen Gehäuse oder Tubus mit einer allgemein zylinderförmigen Basis 12 handelt. Von der Basis aus erstrecken sich drei Anschlußdrähte. Ein Massedraht ist vorhanden, der zwar auch von dem aus leitendem Material (Metall) bestehenden Tubus abgeleitet werden kann, der aber als dritter Anschlußdraht in der in Fig. 1 gezeigten schematischen Darstellung gezeigt wird. Die anderen Anschlußdrähte sind mit einem Körper aus dem den Laser bildenden Halbleitermaterial und mit einer Fotodiode verbunden, die die Lichtstärke abtastet, die die Halbleiterelemente des Lasers erzeugen.
Die Laserdiode 10 ist in eine Dickschicht-Hybridschaltung mit einem Substrat 14 mit Leiterbahnen 16 und 18 integriert. Die Bahnen 16 bestehen aus leitendem, als Dickschichtleitfarbe bezeichnetem Material, und erstrecken sich durch mit leitendem Material ausgekleideten Öffnungen 20 (auch als durchkontaktierte Öffnungen bezeichnet). Diese Öffnungen stellen Verbindungen für die Ahschlußdrähte von der Basis 12 der Diode 10 bereit.
Die Bahnen 18 umfassen drei Arten von Materialien oder Farben, nämlich temperaturempfindliches Widerstandsmaterial, nicht temperaturempfindliches Widerstandsmaterial und leitendes Material. Das temperaturempfindliche Widerstandsmaterial ist in Bereichen entlang einer Schaltung an der Rückseite von Substrat 14 verteilt. Dieses temperaturabhängige Material oder diese temperaturabhängige Farbe wird als Widerstände 22 (R1, R2 und R3 in Fig. 5 und 6) gezeigt und bildet drei Thermistoren. Ein nicht temperaturempfindlicher Widerstand 24 (R4) gehört zu einer Reihenschaltung mit den temperaturabhängigen Widerständen (Thermistoren 22).
Die Widerstände 22 und 24 sind mit den Bahnen aus leitendem Material an Anschlußpunkten 26 am Ende der verteilten Thermistorschaltung verbunden. Die Leiterbahnen 16 von Laserdiode 10 sind mit Anschlußpunkten 28 verbunden. Diese Anschluß punkte liegen in Reihe an einer Kante des rechtwinkligen (quadratischen) Substrats.
Die Laserdiode 10 ist mit einer ringförmigen Leiterbahn 30 (Fig. 5) mit elektrisch und thermisch leitendem Material verbunden (Epoxydklebstoff) und bildet mit Träger 14 und Thermistoren 22 und Widerstand 24 sowie den darauf befindlichen Leiterbahnen eine integrierte Dickschicht-Hybridschaltung.
Alternativ hierzu kann der Masseanschlußdraht von der Laserdiode benutzt werden. Dann kann die größere der durchkontaktierten Öffnungen eine Halteverbindung zur Befestigung der Laserdiode an Substrat 14 und eine zu einer der Anschlußpunkte führenden Leiterbahn benutzen, die dann die Masse für die Schaltung bereitstellt.
Dieser Chip ist gegenüber einer thermoelektrischen Kühlvorrichtung (TEC) 32 angeordnet, bei der es sich um ein rechtwinkliges Bauteil mit einer darin befindlichen Öffnung handelt, das aus einer Reihe von Halbleitersiliziumelementen entgegengesetzter Leitfähigkeit (PN) aufgebaut ist. Derartige thermoelektrische Kühlvorrichtungen sind nach dem Stand der Technik wohlbekannt und kommerziell verfügbar. Sie werden auch als Peltier-Kühlvorrichtungen bezeichnet.
Die elektrische Ansteuerung der Laserdiode 10 erfolgt durch eine Laserleistungs-Regelschaltung 34, die auch konventionell aufgebaut sein kann. Sie liegt außerhalb der Halterung und ist damit über eine Verdrahtung verbunden, die sich durch die Halterung zu den Anschlußpunkten 28 erstreckt. Die Anschlußpunkte 26 sind mit einer Lasertemperatur-Regelschaltung (LTCC) 36 verbunden. Diese Schaltung ist mit den Anschlußpunkten 26 verbunden und spricht auf die von den Thermistoren 22 ermittelte Temperatur des Lasers an, die in beabstandeten Bereichen des Substrats verteilt sind und in Juxtaposition mit der thermoelektrischen Kühlvorrichtung 32 angeordnet sind. Es gibt daher einen minimalen thermischen Widerstand und eine minimale thermische Kapazitanz oder Masse, der die verteilte Thermistorschaltung ausgesetzt ist. Es erfolgt ein schnelles Ansprechen auf Temperaturänderungen, und die LTCC 36 reagiert auf jegliche Anderungen des Versorgungsstroms in entgegengesetzte Richtungen (abhängig davon, ob Heizung oder Kühlung des integrierten Chips gewünscht wird sowie von dem erforderlichen Betrag zur Wiederherstellung der Temperatur auf die gewünschte Temperaturgröße, beispielsweise eine vorgegebene Temperatur von 25ºC)
Die LTCC 36 wird detaillierter in Fig. 2 gezeigt. Die Thermistorschaltung wird allgemein als ein einzelner Thermistor gezeigt, obwohl sie tatsächlich verteilt ist, um somit den Vorteil verringerten thermischen Widerstandes und thermischer Masse, wie zuvor erläutert, zu bieten. Der verteilte Thermistor übernimmt die Integration oder Mittelung der die Diode betreffenden Temperatur. Die enge thermische Koppelung durch das Substrat, das einen geringen thermischen Widerstand aufweist, die kleine Baugröße der Hybridschaltung und deren Wärmeisolierung von Gehäuse und Halterung tragen zu deren niedrigen thermischen Kapazitanz bei.
Die Thermistoren sind so angeordnet, daß sie einen Widerstand bei einer vorgegebenen Temperatur bilden, der eine Thermistorbrückenschaltung 38 abgleicht, einschließlich der davon einen Zweig bildenden Thermistoren 22.
Die Thermistoren werden detaillierter in Fig. 6 als R1, R2 und R3 gezeigt. Der Festwiderstand wird als R4 gezeigt. Die Widerstände R1, R2 und R3 haben in etwa den gleichen Wert und sind über Leiterbahnen und Felder von leitendem Material verbunden, die über die Enden der Elemente R1 bis R4 angeordnet sind. Das Element R4 kann durch eine nach dem Stand der Technik bekannte Laser-Trimmtechnik getrimmt werden, um den Widerstand zur Abstimmung der Brücke auf 25ºC einzustellen.
Alternativ hierzu kann die Regelschaltung (Fig. 3) mit einem Potentiometer versehen sein, die die Brücke abstimmt.
Fig. 5 und 6 zeigen durchkontaktierte Öffnungen 40 und 42, die mit Feldern an der Seite von Substrat 14 gegenüber der Seite verbunden sind, auf der sich die Thermistorschaltung (R1 bis R4) befindet.
Die Thermistorelemente R1, R2 und R3 befinden sich in Bereichen in Ausrichtung mit dem Bereich 30, der die Fläche bildet, gegen die der Ring an der Rückseite von Basis 12 der Laserdiode mit einem Leitepoxyd befestigt ist. Diese Anordnung minimiert nicht nur den thermischen Widerstand, sondern verteilt auch die temperaturempfindliche Thermistorschaltung über die Laserdiode, so daß sie schnell auf jegliche darin stattfindende Temperaturänderung ansprechen und die die Diode 10 betreffende Temperaturabweichung integrieren oder mitteln kann.
Der Ring 30 ist mit einem zentralen Feld verbunden, das einen der Anschlußpunkte 28 bildet, während die anderen Anschlußpunkte 28, die den mittleren Anschlußpunkt flankieren, über die durchkontaktierten Öffnungen 44 und 46 und die Leiterbahnen 48 mit der Anode der Fotodiode und den Laser-Kathodenanschlußdrähten der Laserdiode verbunden sind. Diese alternative Befestigung der Laserdiode hat eine Anderung der Bahnen zur Folge, wie zuvor beschrieben.
Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 2 umfaßt die Regelschleife der LTCC eine Proportional-Verstärkerstufe 50, die eine Integral-Verstärkerstufe 52 ansteuert. Die Ausgangssignale beider Stufen 50 und 52 werden in einem Spannungssummierer 54 summiert, der eine Spannungs-Strom-Ausgabestufe 56 ansteuert. Die thermoelektrische Kühlvorrichtung 32 ist mit der Ausgangsstufe verbunden, die Strom entweder einspeist oder entnimmt und dabei Strom entsprechend der Ausgabe von Brücke 38 in einer von der Polarität der Ausgabe der Brücke durch die thermoelektrische Kühlvorrichtung 32 abhängige Richtung steuert. Die Proportional-Verstärkerstufe kann ein Operationsverstärker sein, der in einer Gleichspannungs-Verstärkerkonfiguration verbunden ist, um eine Verstärkung von 20 und eine Bandbreite von 100 khz zu ermöglichen. Die Integralstufe Ist ein Operationsverstärker mit kapazitiver Rückwirkung zur Bereitstellung einer Zeitkonstante, geeigneterweise von 7,26 s. Die Proportional-Verstärkerstufe spricht schnell auf alle Temperaturänderungen mit hoher Verstärkung bei einer höheren Geschwindigkeit an, als der Integrator 52 folgen kann.
Wenn die Temperatur stabil ist, integriert der Integrator 52 die Fehlerspannung von der Proportional-Verstärkerstufe 50, um die Laserdiodentemperatur weiter zu stabilisieren. Als eine Sicherheitsmaßnahme ist ein Über/Untertemperaturdetektor 58 mit dem Ausgang der Proportional- Verstärkerstufe 50 verbunden. Es handelt sich hierbei um einen Fensterdetektor, der erkennt, wenn die Ausgangsspannung von Stufe 50 über oder unter bestimmten Grenzwerten liegt, die vom Hersteller als richtiger Betriebsbereich angegeben sind. Wenn die Grenzwerte überschritten werden, wird ein Sperrimpuls an die Laser-Leistungsregelschaltung angelegt, der die Laserkathode zur Laseranode parallel schaltet und damit den Laser schützt. Die Thermistorschaltung kann von ihrer Auslegung her für einen ausfallsicheren Betrieb konstruiert werden, indem statt eines negativen Temperaturkoeffizienten ein positiver Temperaturkoeffizient für die Thermistoren 22 (R1, R2 und R3 in Fig. 6) benutzt wird, der den Widerstand bei Temperaturanstiegen erhöht.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 und 4 wird die Dickschicht- Hybridschaltung mit dem Laser 10 und dem Substrat 14 in einer Vertiefung 60 einer Montageplatte 62 gezeigt. Die Platte 62 besteht aus Isoliermaterial. Epoxyd ist zwar geeignet, aber ein thermisch und elektrisch isolierender Glas-Glimmer-Verbundstoff wird bevorzugt. Diese Montageplatte weist zudem drei versenkte Bohrungen 64 auf sowie drei darin befindliche Durchgangsbohrungen 66. Die versenkten Bohrungen 64 liegen um 120º zueinander versetzt, ebenso wie die Durchgangsbohrungen
Die Vertiefung 60 weist eine Wandung 70 und einen Ansatz 72 auf, die nach hinten bzw. nach vorne weisen und in einer gemeinsamen Bezugsebene senkrecht zur optischen Achse 74 der Montageplatte angeordnet sind. Die Laserdiode 10 besitzt eine Öffnung 76, durch die Licht austritt. Diese Öffnung 76 zeigt nach vorne in einer Richtung, die vom Substrat 14 wegweist, und das Laserlicht tritt durch die Öffnung durch.
Eine optische Baugruppe 78 ist an dem Ansatz 72 befestigt, während die integrierte Schaltung und insbesondere der Laser 10 so befestigt ist (indiziert oder referenziert), daß er sich gegen die Wandung 70 im Gehäuse der optischen Baugruppe 78 abstützt. Die optische Baugruppe 78 und die Laserdiode 10 sind somit auf dieselbe Ebene eingeschränkt, die senkrecht zur optischen Achse 79 verläuft.
Die Wirkung der thermischen Gradienten wird minimiert, da die optische Baugruppe, die eine niedrigere Temperatur als die Laserdiode aufweisen kann, in derselben Ebene liegt. Dadurch wird die Ausdehnungswirkung oder die Kontraktionswirkung beseitigt, die die Laserdiode axial mit bezug zur optischen Baugruppe 78 verschieben könnte. Die optische Achse 74 ist auch die Achse einer Linseneinheit 80 in einer inneren Fassung 82, die teleskopartig innerhalb einer äußeren Fassung 84 der optischen Baugruppe 78 angeordnet ist. Da die Halterung symmetrisch ist, werden seitliche Verschiebungen beseitigt.
Die Fassungen 82 und 84 bestehen aus unterschiedlichem Material. Sie greifen federbelastet durch einen Fokussierring 86 ineinander, der in das vordere Ende der äußeren Fassung 84 eingeschraubt wird. Eine Druckfeder 88 befindet sich zwischen Ansätzen 90 und 92 der äußeren und inneren Fassungen 84 und 82. Die unterschiedlichen Materialien ermöglichen eine Ausdehnung oder Kontraktion entlang der optischen Achse, was durch Feder 88 zugelassen wird.
Es ist erkennbar, daß eine Abdeckplatte von Glas 94 an dem hinteren Ende der inneren Fassung 82 angeordnet ist, um ggf. eine optische Längenkorrektur zu ermöglichen. Eine Nut- und Federanordnung 96, 98 verhindert die Drehung der inneren Fassung und begrenzt deren Bewegung zur Übertragung auf die optische Achse.
Schrauben 99 erstrecken sich durch die Durchgangsbohrungen 66 und befestigen die optische Baugruppe 78 mit der Montageplatte. Vor dieser Befestigung wird die Montageplatte mit einem Kühlkörper 100 verbunden, der mit einer Basisplatte 102 ausgerüstet ist, von dem sich die Kühlkörperelemente oder Rippen 104 erstrecken. Bei diesen Rippen 104 kann es sich um Platten handeln, und zwar entweder vertikale oder radiale, oder herkömmlicherweise um Stäbe. Die Basisplatte 102 hat einen Vorsprung 106, der eine Wandung 108 bildet. Die Fläche dieser Wandung ist gegen die thermoelektrische Kühlvorrichtung 32 angeordnet und drückt sie gegen Substrat 14 der Dickschicht-Hybridschaltung. Die Thermistorschaltung ist um eine der gegenüberliegenden Seiten der thermoelektrischen Kühlvorrichtung 32 verteilt. Die sogenannten Thermofelder 110 und 112 aus sehr dünnem und daher allgemein wärmeleitendem Material sind an gegenüberliegenden Seiten der thermoelektrischen Kühlvorrichtung 32 angeordnet und füllen jegliche Vertiefungen oder Lücken aus, um somit den thermischen Widerstand zwischen der Kühlvorrichtung und der integrierten Schaltung auf der vorderen Seite und der Kühlvorrichtung und dem Kühlkörper 100 auf der hinteren Seite zu verringern.
Eine U-förmige Anordnung von Blöcken 112 und einem anderen Block 114 von wärmeisolierendem Material (geeigneterweise Urethanschaum) ist um die thermoelektrische Kühlvorrichtung, die Hybridschaltung und um den Vorsprung 106 angeordnet, um eine lange schädliche Wärmezirkulation zu verhindern und isoliert die Laserdioden und die integrierte Schaltung und die thermoelektrische Kühlvorrichtung vom Rest der Baugruppe. Die Anschlußdrähte 26 erstrecken sich von der Kante des Substrats, und auch die Anschlußdrähte der thermoelektrischen Kühlvorrlchtung erstrecken sich von den Anschlußpunkten entlang einer Kante über das Feld 114 durch die Durchgänge 116 in der Montageplatte 62. Diese Durchgänge können mit Isoliermaterial gefüllt werden, beispielsweise bei Raumtemperatur vulkanisierendes Silikondichtmittel (RTV), um eine weitere Isolierung gegen Wärmebrücken vom der integrierten Dickschicht-Hybridschaltung der Diode 10 und dem Substrat 14 und der thermoelektrischen Kühlvorrichtung 32 zu ermöglichen, und auch um eine Zugentlastung für die Anschlußdrähte 26 und 28 sowie für die Anschlußdrähte von der thermoelektrischen Kühlvorrichtung zu schaffen. Die Montageplatte 62 ist mit der Kühlkörperbasisplatte 102 durch Schrauben 118 verbunden, die sich in die versenkten Bohrungen 64 erstrecken.

Zeichnungsbeschriftung

Fig. 1:

10 Laserdiode
12 Masseanschlußdraht
34 Laserleistungs-Regelschaltung
36 Lasertemperatur-Regelschaltung (LTCC)
a Fotodiodenanode
b Laserkathode
c Dickschicht-Hybridschaltung
d Dickschicht-Thermistoren
e lasergetrimmter Dickschicht-Widerstand
f thermoelektrische Kühlvorrichtung
g Laserkathode
h Laseranode und Fotodiodenkathode
i Fotodiodenanode
j sperren

Fig. 2:

22 Thermistor
38 Thermistorbrücke
50 Proportional-Verstärkerstufe
52 Integral-Verstärkerstufe
54 Spannungssummierer
56 Spannungs-Strom-Ausgangsstufe
32 thermoelektrische Kühlvorrichtung
58 Unter-/Übertemperaturdetektor
k Sperren von LPCC

Claims

1. Temperaturstabilisierbare Laservorrichtung mit

- einer in einem Gehäuse untergebrachten Laserdiodeneinrichtung (10); und

- einer thermoelektrischen Kühlvorrichtung (32);

dadurch gekennzeichnet, daß ein Dickschicht-Hybridchip zwischen der Laserdiodeneinrichtung (10) und der thermoelektrischen Kühlvorrichtung (32) und in Wärmekontakt mit dem Gehäuse angeordnet ist, wobei der Chip ein Substrat (14) aus wärmeleitendem und elektrisch isolierendem Material mit einer Vielzahl von darauf ausgebildeten Leiterbahnen (46, 18) aufweist, wobei die Endabschnitte der Leiterbahnen (16, 18) eine Vielzahl von Anschlußpunkten (26, 28) bilden, wobei Abschnitte (20) der Leiterbahnen (16) mit der Laserdiodeneinrichtung (10) in elektrischem Kontakt stehen und andere Bahnen (18) in einer über einen Flächenbereich des substrats (14) verteilten Schaltung (22, 24; R1, R2, R3, R4) verlaufen, die temperaturempfindliches Material enthält, das sich über verschiedene voneinander beabstandete Bereiche des Substrats (14) erstreckt, und daß sich eine Seite der thermoelektrischen Kühlvorrichtung (32) mit den Bereichen, über die das temperaturempfindliche Material verteilt ist, in Kontakt mit dem Substrat befindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (14) zwei gegenüberliegende Seiten aufweist, wobei die Vielzahl der Leiterbahnen (16, 18) auf einer der beiden Seiten des Substrats (14) und in wärmeleitendem Kontakt mit der Kühlvorrichtung (32) und die Laserdiodeneinrichtung (19) auf der anderen Seite des Substrats (14) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdiodeneinrichtung (10) eine Basis (12) aufweist, die mit dem Substrat (14) entlang der Kontaktbereiche einer der beiden Seiten des Substrats (14) in wärmeleitendem Kontakt steht, wobei die verschiedenen Bereiche des Substrats, entlang derer die Schaltung (22, 24; R1, R2, R3, R4) verläuft, sich auf der anderen Seite des Substrats (14) in Ausrichtung mit dem Kontaktbereich befinden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturempfindliche Material diskrete Thermistoren (22) aufweist, die durch Streckenabschnitte der Vielzahl der Leiterbahnen (18) miteinander verbunden und entlang des Kontaktbereichs voneinander beabstandet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktbereich ringförmig und die Basis (12) ebenso von ringförmiger Gestalt ist, die der Form des Kontaktbereichs entspricht.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktbereich aus einer Materialschicht besteht, die eine leitende Verbindung zur Laserdiodeneinrichtung (10) herstellt.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche&sub1; dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (14) im wesentlichen von rechteckiger Form ist und mehrere Kanten aufweist, wobei die Schaltung (22, 24; R1, R2, R3, R4) parallel zu den Kanten angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse als Tubus ausgebildet ist und eine strahlungsdurchlässige Öffnung aufweist, die an einem dem Substrat (14) abgewandten Ende des Tubus angeordnet ist und durch die Licht austritt, wenn die Laserdiode aktiviert ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdiodeneinrichtung (10) eine Vielzahl von durch ihre Basis (12) verlaufenden Leitern aufweist, wobei im Substrat (14) eine Vielzahl von Öffnungen (20) vorgesehen ist, mit denen die Steuerleitungen der Laserdiodeneinrichtung (10) verbunden sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Montageplatte (62) mit einer Vertiefung (60) und einer optischen Achse (74) vorgesehen sind, wobei der Chip, die Laserdiodeneinrichtung (10) und die Kühl vorrichtung (32) in der Vertiefung (60) angeordnet sind, und wobei in der Platte (62) ein Durchgang vorgesehen ist, durch den zur Verbindung mit der Vielzahl der Anschlußpunkte (26, 28) elektrische Zuleitungen durchführbar sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Montageplatte (62) einen außerhalb der Vertiefung (60) angeordneten Ansatz (72) und eine innerhalb der Vertiefung (60) befindliche Wandung (70) aufweist, die voneinander abgewandte Flächen der Montageplatte bilden, wobei beide Flächen in der gleichen Ebene liegen und im wesentlichen senkrecht zum Strahlengang der strahlungsdurchlässigen Öffnung (76) der Laserdiodeneinrichtung (10) verlaufen, und daß an der Öffnung (76) eine optische Baugruppe (78) vorgesehen ist, die Fokussiermittel (80) zum Fokussieren des Lichts zu einem Strahlenbündel entlang der optischen Achse (74) und eine im wesentlichen senkrecht zur Achse (74) angeordnete Bezugsfläche aufweist, wobei thermisch hervorgerufene Verlagerungen der optischen Baugruppe (78) entlang der Achse (74) auf ein Minimum reduziert werden.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Baugruppe (78) folgende Komponenten aufweist: eine äußere Fassung (84), eine teleskopartig innerhalb der äußeren Fassung (84) angeordnete innere Fassung 882), zwei Ansätze (90, 92), die bezüglich der optischen Achse (74) von der inneren und äußeren Fassung (82, 84) radial nach innen und außen verlaufen und einen ringförmigen Hohlraum bilden, eine um die innere Fassung (82) im Hohlraum angeordnete Druckfeder (88), einen Fokussierring (86), der in die äußere Fassung (84) eingeschraubt ist und auf die innere Fassung (82) entgegen der Kraft der Feder (88) in der äußeren Fassung (84) drückt, wobei das Fokussiermittel aus einer in einer Bohrung der inneren Fassung (82) befestigten Linse besteht.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlkörper (100) vorgesehen ist, der eine Grundplatte (102) mit einem Vorsprung (106) aufweist, der eine Fläche (108) und einen rückwärtigen Endabschnitt bildet, von dem Kühlrippen (104) abstehen, wobei der Kühlkörper (100) mit der Montageplatte (62) verbunden ist und die Fläche (108) in wärmeleitendem Kontakt gegen die andere der gegenüberliegenden Seiten der Kühlvorrichtung (32) drückt und die Kühlvorrichtung (32) zwischen Chip und Kühlkörper (100) angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (60) in der Montageplatte (62) den Vorsprung (106) umgibt, wobei die Elemente (112, 114) aus wärmeisolierendem Material in der Öffnung (60) um die Kühlvorrichtung (32) und dem Vorsprung (106) herum angeordnet sind und das Substrat (14) mindestens an dessen Kanten berührt.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Temperaturregelungsmittel (36) vorgesehen sind, die auf die Temperatur des temperaturempfindlichen Materials der Leiterbahn (18) ansprechen und die Kühlvorrichtung für die Temperaturregelung des Chips steuern.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturregelungsmittel (36) folgende Komponenten umfassen: Mittel, die ein elektrisches Signal liefern, das in Größe und Polarität der Temperaturabweichung gegenüber der vorgegebenen Temperatur eines Thermistors (229 entspricht, der durch das temperaturempfindliche Material in der Leiterbahn (18) gebildet wird, eine Proportional-Verstärkerstufe (50), der das Signal zugeführt wird, eine Integral- Verstärkerstufe (52), die auf das Ausgangssignal der Proportional-Verstärkerstufe (50) anspricht, und Mittel (54, 56), die sowohl von der Proportional-Verstärkerstufe (50) als auch von der Integral-Verstärkerstufe (52) betätigt werden und der Kühlvorrichtung (32) Strom zuführen, dessen Größe und Richtung der Richtung, Größe und Polarität des elektrischen Signals entsprechen.