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Es wird eine Laserdiodenvorrichtung angegeben.
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Die Druckschriften
WO 2004/107511 A2 und
WO 2010/069282 A2 beschreiben Laserdiodenvorrichtungen.
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Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Laserdiodenvorrichtung anzugeben, die sich durch eine besonders hohe optische Ausgangsleistung auszeichnet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laserdiodenvorrichtung umfasst die Laserdiodenvorrichtung ein Gehäuse. In dem Gehäuse können die Komponenten der Laserdiodenvorrichtung angeordnet werden.
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Das Gehäuse weist eine Kavität auf. Die Kavität kann beispielsweise als Ausnehmung oder als Aussparung in einem Grundkörper des Gehäuses ausgebildet sein. Die Kavität des Gehäuses ist an ihrer Bodenfläche von einer Montagefläche des Gehäuses begrenzt. Die Montagefläche ist zur Befestigung von Komponenten der Laserdiodenvorrichtung an ihr vorgesehen. Die Kavität kann neben der Bodenfläche auch von Seitenflächen begrenzt sein, die senkrecht oder schräg zur Montagefläche der Kavität verlaufen. Die Kavität des Gehäuses ist dazu eingerichtet, die Komponenten der Laserdiodenvorrichtung aufzunehmen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laserdiodenvorrichtung umfasst die Laserdiodenvorrichtung einen Laserdiodenchip, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung durch eine Strahlungsaustrittsfläche emittiert. Der Laserdiodenchip ist insbesondere dazu eingerichtet, im Betrieb elektromagnetische Strahlung im Spektralbereich zwischen UV-Strahlung und Infrarotstrahlung zu emittieren. Beispielsweise kann der Laserdiodenchip dazu eingerichtet sein, UV-Strahlung, blaues Licht, grünes Licht, rotes Licht oder Infrarotstrahlung im Betrieb zu emittieren. Insbesondere handelt es sich bei dem Laserdiodenchip um einen Laserdiodenchip, der auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basiert.
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Auf Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basierend bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass eine Halbleiterschichtenfolge des Laserdiodenchips oder zumindest ein Teil davon, besonders bevorzugt zumindest eine aktive Zone und/oder ein Aufwachssubstratwafer, ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise AlnGamIn1-n-mN aufweist oder aus diesem besteht, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
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Der Laserdiodenchip kann insbesondere eine epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge aufweisen, die eine aktive Schicht umfasst, die beispielsweise auf der Basis von AlGaInN und/oder InGaN gebildet ist. Die aktive Schicht ist dann dazu eingerichtet, im Betrieb elektromagnetische Strahlung aus dem Spektralbereich von ultravioletter Strahlung bis zu grünem Licht zu emittieren. Der Laserdiodenchip kann als aktive Schicht beispielsweise einen herkömmlichen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur oder eine Quantentopfstruktur, besonders bevorzugt eine Mehrfachquantentopfstruktur aufweisen. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
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Der Laserdiodenchip zeichnet sich dabei insbesondere durch eine hohe optische Ausgangsleistung aus. Beispielsweise beträgt die optische Ausgangsleistung des Laserdiodenchips wenigstens 1 W, insbesondere wenigstens 3 W.
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Der Laserdiodenchip umfasst eine Strahlungsaustrittsfläche. Die Strahlungsaustrittsfläche ist diejenige Fläche des Laserdiodenchips, durch die zumindest ein Großteil der im Betrieb des Laserdiodenchips emittierten Strahlung den Laserdiodenchip verlässt. Die Strahlungsaustrittsfläche ist zum Beispiel durch den Teil einer Seitenfläche der Halbleiterschichtenfolge gebildet. Bei dem Laserdiodenchip handelt es sich dann insbesondere um einen kantenemittierenden Laserdiodenchip.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laserdiodenvorrichtung umfasst die Laserdiodenvorrichtung ein Abdeckelement, das für die vom Laserdiodenchip im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung zumindest stellenweise durchlässig ist. Das heißt, die im Betrieb vom Laserdiodenchip erzeugte Strahlung verlässt die Laserdiodenvorrichtung durch das Abdeckelement, vorzugsweise ausschließlich durch das Abdeckelement. Das Abdeckelement kann dabei Bereiche aufweisen, die für die vom Laserdiodenchip im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung durchlässig sind und Bereiche, die für diese Strahlung undurchlässig sind.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laserdiodenvorrichtung umfasst die Laserdiodenvorrichtung ein Umlenkelement, das zumindest einen Teil der vom Laserdiodenchip im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung in Richtung des Abdeckelements lenkt. Die elektromagnetische Strahlung tritt beispielsweise aus der Strahlungsaustrittsfläche des Laserdiodenchips aus und trifft nachfolgend auf das Umlenkelement. Vom Umlenkelement wird die Strahlung durch optische Brechung und/oder Reflexion zum Abdeckelement geleitet. Das heißt, das Umlenkelement ändert die Hauptabstrahlrichtung der vom Laserdiodenchip im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung, beispielsweise um einen Winkel zwischen 80° und 100°.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laserdiodenvorrichtung verläuft die Strahlungsaustrittsfläche des Laserdiodenchips quer oder senkrecht zur Montagefläche und/oder zum Abdeckelement. Mit anderen Worten emittiert der Laserdiodenchip seine Strahlung derart, dass sie teilweise parallel zur Montagefläche und/oder zur Haupterstreckungsebene des Abdeckelements verläuft. Ferner verläuft ein Teil der vom Laserdiodenchip im Betrieb erzeugten Strahlung derart, dass sie in Verlängerung die Ebene der Montagefläche schneidet. Insbesondere ist die Strahlungsaustrittsfläche des Laserdiodenchips nicht parallel zur Montagefläche angeordnet. Die vom Laserdiodenchip im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung ist unmittelbar an der Strahlungsaustrittsfläche nicht von der Montagefläche, zum Beispiel in Richtung des Abdeckelements, gerichtet. Vielmehr erfolgt eine Ablenkung zumindest eines Großteils der Strahlung in Richtung des Abdeckelements durch das Umlenkelement der Laserdiodenvorrichtung, das in einem Abstand zur Strahlungsaustrittsfläche angeordnet ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laserdiodenvorrichtung ist das Abdeckelement mit dem Gehäuse verbunden. Beispielsweise befindet sich das Abdeckelement in einem Abstand zur Montagefläche. Das Abdeckelement, das heißt seine Haupterstreckungsebene, kann dann zumindest stellenweise parallel zur Montagefläche des Gehäuses verlaufen. Das Abdeckelement schließt das Gehäuse beispielsweise an seiner Oberseite ab.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laserdiodenvorrichtung verschließt das Abdeckelement das Gehäuse dicht. Insbesondere verschließt das Abdeckelement das Gehäuse dicht gegen atmosphärische Gase und/oder Feuchtigkeit. Im Rahmen der Herstellungsmöglichkeiten verschließt das Abdeckelement das Gehäuse insbesondere hermetisch. Das heißt, das Abdeckelement überdeckt beispielsweise die Kavität des Gehäuses vollständig und verschließt die Kavität und damit die Komponenten der Laserdiodenvorrichtung in der Kavität, wie beispielsweise den Laserdiodenchip und das Umlenkelement, dicht gegenüber der Umgebung. Die Kavität kann dabei auch mit einem Schutzgas, beispielsweise einem Edelgas, befüllt sein, welches durch das das Gehäuse dicht verschließende Abdeckelement am Austritt aus der Kavität gehindert wird. Alternativ ist es möglich, dass die Kavität evakuiert ist.
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Insbesondere is das Gehäuse vorzugsweise derart dicht verschlossen, dass die Leckrate für eintretendes oder für austretendes Gas höchstens 5·10^(–8) Pa m^(3)/s beträgt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laserdiodenvorrichtung weist die Laserdiodenvorrichtung ein Gehäuse auf, das eine Montagefläche in einer Kavität des Gehäuses aufweist. Weiter umfasst die Laserdiodenvorrichtung zumindest einen Laserdiodenchip, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung durch eine Strahlungsaustrittsfläche emittiert. Ferner umfasst die Laserdiodenvorrichtung zumindest ein Abdeckelement, das für die vom Laserdiodenchip im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung zumindest stellenweise durchlässig ist. Die Laserdiodenvorrichtung umfasst ferner ein Umlenkelement, das zumindest einen Teil der vom Laserdiodenchip im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung in Richtung des Abdeckelements lenkt, wobei die Strahlungsaustrittsfläche des Laserdiodenchips quer oder senkrecht zur Montagefläche und/oder zum Abdeckelement verläuft, das Abdeckelement mit dem Gehäuse verbunden ist, und das Abdeckelement das Gehäuse dicht verschließt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laserdiodenvorrichtung umfasst die Laserdiodenvorrichtung zumindest zwei, bevorzugt eine Vielzahl von Laserdiodenchips. Die Laserdiodenchips können dabei gleichartig ausgebildet sein. Das heißt, die Laserdiodenvorrichtung umfasst dann zum Beispiel ausschließlich baugleiche Laserdiodenchips. Durch die Montage der Laserdiodenchips auf der Montagefläche des Gehäuses können die Laserdiodenchips sehr gut thermisch an das Gehäuse angebunden werden. Damit ist eine effiziente Abführung von im Betrieb erzeugter Wärme möglich.
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Bei herkömmlichen Laserdiodenvorrichtungen, die beispielsweise ein TO-Gehäuse umfassen, ergibt sich das Problem einer relativ schlechten thermischen Anbindung des Laserdiodenchips an das Gehäuse und damit an die Umgebung. Montiert man beispielsweise zwei Laserdiodenchips hoher optischer Ausgangsleistung von wenigstens 1 W in einem solchen TO-Gehäuse, so zeigen sie eine schlechtere optische Ausgangsleistung als ein einziger dieser Laserdiodenchips, da sich die beiden Laserdiodenchips gegenseitig so stark erwärmen, dass die elektro-optische Effizienz überproportional abnimmt.
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Eine Lösung dieses Problems könnte in der Verwendung von Gehäusen bestehen, wie sie beispielsweise für Hochleistungsleuchtdioden Verwendung finden. Bei diesen Gehäusen ist es jedoch notwendig, den Laserdiodenchip mit einem Kunststoff zu umspritzen. Diese Gehäuse sind damit für Laserdiodenchips hoher optischer Ausgangsleistung nicht geeignet, da diese Kunststoffe den optischen Leistungsdichten und/oder den kurzen Wellenlängen der vom Laserdiodenchip im Betrieb erzeugten Strahlung nicht Stand halten. Ferner ist es mit solchen Kunststoffen nicht möglich, die Laserdiodenchips dicht in den Gehäusen zu verschließen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laserdiodenvorrichtung ist der zumindest eine Laserdiodenchip unvergossen. Das heißt, die Kavität des Gehäuses ist nicht mit einem Vergussmaterial, beispielsweise mit einem Kunststoff für Silikon, verfüllt, sondern insbesondere die Strahlungsaustrittsfläche des Laserdiodenchips grenzt an das die Kavität des Gehäuse ausfüllenden Gases, beispielsweise ein Schutzgas oder Luft. Ferner ist es möglich, dass das Gehäuse insgesamt frei von einem Kunststoffmaterial ist und zum Beispiel mit metallischen und/oder keramischen Materialien gebildet ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laserdiodenvorrichtung weist das Abdeckelement eine Einfassung auf, die ein Fensterelement rahmenartig umschließt. Die Einfassung ist dabei mit einem anderen Material als das Fensterelement gebildet. Beispielsweise ist die Einfassung mit einem Material gebildet, das für die vom zumindest einen Laserdiodenchip im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung nicht durchlässig ist. Das Fensterelement hingegen ist mit einem Material gebildet, das zumindest für einen Teil der vom Laserdiodenchip im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung durchlässig ist. Dabei kann die Einfassung beispielsweise mit einem Metall wie Edelstahl gebildet sein. Das Fensterelement ist mit einem strahlungsdurchlässigen Material gebildet. Beispielsweise umfasst das Material des Fensterelements eines der folgenden Materialien oder besteht aus einem der folgenden Materialien: Glas, Saphir, Keramik. Das Fensterelement kann dabei transparent, klarsichtig oder transluzent milchig ausgebildet sein.
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Darüber hinaus ist es möglich, dass in das Grundmaterial des Fensterelements zumindest ein weiteres Material wie beispielsweise ein Lumineszenzkonversionsmaterial oder ein strahlungsstreuendes Material eingebracht ist. Das Fensterelement kann in diesem Fall Strahlung streuende oder Strahlung konvertierende Eigenschaften aufweisen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laserdiodenvorrichtung ist die Einfassung durch Löten oder Schweißen mit dem Gehäuse verbunden. Beispielsweise kann das Gehäuse, zumindest in dem Bereich, in dem es an das Abdeckelement grenzt, mit einem Metall gebildet sein. In diesem Fall ist es möglich, dass Einfassung und Gehäuse mittels Schweißen verbunden sind. Dies ermöglicht eine besonders temperaturstabile und dichte Verbindung zwischen den beiden Elementen. Alternativ ist es möglich, dass das Abdeckelement und das Gehäuse durch Löten miteinander verbunden sind, wobei als Verbindungsmittel ein metallisches Lot oder ein Glaslot Verwendung finden kann.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laserdiodenvorrichtung ist am Abdeckelement zumindest eines der folgenden optischen Elemente befestigt: Lumineszenzkonversionselement, Linse, Streuelement. Dabei ist es insbesondere möglich, dass mehrere dieser Elemente am Abdeckelement befestigt sind. Die Elemente können dabei sowohl an der dem zumindest einen Laserdiodenchip zugewandten Seite des Abdeckelements, als auch an der dem zumindest einen Laserdiodenchip abgewandten Seite des Abdeckelements befestigt sein. Die Elemente können unmittelbar oder mittelbar am Abdeckelement befestigt sein. Beispielsweise kann an der dem Laserdiodenchip abgewandten Seite des Abdeckelements ein Lumineszenzkonversionselement angeordnet sein, auf dem wiederum eine Linse angeordnet ist. Die Linse ist dann mittelbar am Abdeckelement befestigt, wohingegen das Lumineszenzkonversionselement unmittelbar am Abdeckelement befestigt ist.
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Für den Fall, dass das Abdeckelement ein Lumineszenzkonversionsmaterial umfasst und/oder ein Lumineszenzkonversionselement am Abdeckelement befestigt ist, kann die Laserdiodenvorrichtung dazu eingerichtet sein, im Betrieb weißes Licht zu erzeugen. Beispielsweise erzeugt der zumindest eine Laserdiodenchip in diesem Fall blaues Licht oder UV-Strahlung. Das Lumineszenzkonversionsmaterial und/oder das Lumineszenzkonversionselement wandeln zumindest einen Teil dieses Lichts in elektromagnetische Strahlung größerer Wellenlängen um.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laserdiodenvorrichtung ist das Umlenkelement durch eines der folgenden optischen Elemente gebildet oder umfasst zumindest eines der folgenden optischen Elemente: Spiegel, Prisma. Das heißt, Umlenkung der vom zumindest einen Laserdiodenchip im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung in Richtung des Abdeckelements kann durch Reflexion und/oder optische Brechung erfolgen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laserdiodenvorrichtung umfasst die Laserdiodenvorrichtung zumindest ein Wärmeleitelement, das zwischen der Montagefläche des Gehäuses und dem zumindest einen Laserdiodenchip angeordnet ist. Das Wärmeleitelement kann insbesondere dazu dienen, den im Betrieb des Laserdiodenchips erzeugten Wärmestrom zwischen dem Laserdiodenchip und der Montagefläche aufzuweiten beziehungsweise aufzuspreizen, um eine große Übergangsfläche beim Wärmetransfer vom Laserdiodenchip in das Gehäuse zu erreichen. Das Gehäuse kann dann mit seiner der Montagefläche abgewandten Seite direkt auf einem Kühlkörper montiert sein. Auf diese Weise ist eine besonders kurze Wegstrecke zwischen Laserdiodenchip und Kühlkörper ermöglicht, sodass die Wärme vom Laserdiodenchip effektiv abgeführt werden kann. Der Einsatz des Wärmeleitelements sorgt dann dafür, dass die vom Laserdiodenchip erzeugte Wärme auf eine besonders große Fläche verteilt werden kann. Damit ist auch die Verwendung von mehreren Laserdiodenchips im Gehäuse möglich, ohne dass dadurch eine wesentliche Verschlechterung der thermischen Anbindung der einzelnen Laserdiodenchips erfolgt. Insbesondere ist das gegenseitige Erwärmen der Laserdiodenchips auf diese Weise reduzierbar.
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Das Wärmeleitelement kann ferner dazu Verwendung finden, thermische Verspannungen zwischen dem Laserdiodenchip und dem Gehäuse, die beispielsweise durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten hervorgerufen werden, zu reduzieren oder auszugleichen. Das Wärmeleitelement kann beispielsweise mittels Löten am Laserdiodenchip und an der Montagefläche befestigt sein.
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Das Wärmeleitelement kann insbesondere durch zumindest eines der folgenden Materialien gebildet sein oder aus einem der folgenden Materialien bestehen: Siliziumcarbid, Bornitrid, Kupferwolfram, Diamant, Aluminiumnitrid.
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Darüber hinaus ist es möglich, dass das Wärmeleitelement mit einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist und ein elektrischer Anschluss des Laserdiodenchips durch das Wärmeleitelement erfolgt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laserdiodenvorrichtung umfasst die Laserdiodenvorrichtung zumindest zwei Laserdiodenchips, wobei jedem Laserdiodenchip ein Wärmeleitelement eineindeutig zugeordnet ist. Das heißt, in diesem Fall sind nicht alle Laserdiodenchips auf einem gemeinsamen Wärmeleitelement angeordnet, sondern jeder Laserdiodenchip ist auf seinem eigenen Wärmeleitelement angeordnet. Die Laserdiodenchips können in diesem Fall schon vor der Montage in der Kavität des Gehäuses auf dem ihnen zugeordneten Wärmeleitelement befestigt werden und als Verbund von Laserdiodenchip und Wärmeleitelement auf der Montagefläche befestigt werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laserdiodenvorrichtung ist das Gehäuse mit einem metallischen Material gebildet. Beispielsweise umfasst das Gehäuse einen Gehäusegrundkörper, der aus einem metallischen Material besteht. So kann das Gehäuse beispielsweise einen Gehäusegrundkörper umfassen, der aus einer FeNiCo-Legierung und/oder einer WCu-Legierung besteht. Der Gehäusegrundkörper kann mit einer metallischen Schicht, beispielsweise aus Ni/Au oder Au bedeckt oder stellenweise bedeckt sein. Bei dem Gehäuse kann es sich dabei um ein Gehäuse handeln, das einem so genannten Butterfly-Gehäuse ähnlich ist. In Abweichung von herkömmlichen Butterfly-Gehäusen weist das vorliegende Gehäuse jedoch ein Abdeckelement auf, das die Gehäusekavität an einer Gehäuseoberseite abschließt und mit einem Material gebildet ist, das zumindest stellenweise strahlungsdurchlässig ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laserdiodenvorrichtung weist das Gehäuse zumindest eine Seitenwand auf. Die Seitenwand oder die Seitenwände begrenzen das Gehäuse in einer lateralen Richtung, die beispielsweise parallel zur Montagefläche verläuft. Die Seitenwand des Gehäuses verläuft schräg oder senkrecht zur Montagefläche. Beispielsweise verbindet die Seitenwand des Gehäuses die Montagefläche mit dem Abdeckelement. Insbesondere kann das Abdeckelement an der der Montagefläche abgewandten Seite der Seitenwand befestigt sein.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laserdiodenvorrichtung weist die Seitenwand zumindest eine Öffnung auf, durch die ein elektrisches Anschlusselement geführt ist, mit dem der Laserdiodenchip elektrisch leitend verbunden ist. Für den Fall, dass das Gehäuse und damit auch die Seitenwand mit einem metallischen Material gebildet ist, ist das elektrische Anschlusselement, das durch die Öffnung hindurch in die Kavität des Gehäuses geführt ist, elektrisch isolierend in der Öffnung der Seitenwand befestigt.
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Das elektrische Anschlusselement ist dabei beispielsweise als Stift oder Pin aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise einem Metall, gebildet, der von außerhalb des Gehäuses durch die Öffnung in die Kavität des Gehäuses ragt. Dort, in der Gehäusekavität, kann das Anschlusselement dann beispielsweise mittels eines Verbindungsdrahtes mit einem Laserdiodenchip elektrisch leitend verbunden sein.
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Dabei ist es insbesondere möglich, dass die Zahl der Anschlusselemente wenigstens der Zahl der Laserdiodenchips entspricht. Beispielsweise ist jeder Laserdiodenchip mit genau einem Anschlusselement elektrisch leitend verbunden. Die Laserdiodenvorrichtung kann dann beispielsweise zehn, zwölf, 14 oder mehr Anschlusselemente und eine gleiche Anzahl von Laserdiodenchips umfassen. Es ist aber auch denkbar, dass die Laserdiodenchips innerhalb des Gehäuses in Serie verschaltet sind und dann für mehrere Laserdiodenchips nur zwei Anschlusselemente benötigt werden, so dass die Zahl der Anschlusselemente kleiner ist als die Zahl der Laserdiodenchips.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laserdiodenvorrichtung ist zwischen der Strahlungsaustrittsfläche des zumindest einen Laserdiodenchips und dem Umlenkelement ein strahlformendes optisches Element angeordnet. Bei dem strahlformenden optischen Element kann es sich beispielsweise um eine Linse, wie eine Zylinderlinse, handeln. Weiter können zwischen der Strahlungsaustrittsfläche und dem Umlenkelement mehrere strahlformende optische Elemente angeordnet sein, die von der elektromagnetischen Strahlung, die vom Laserdiodenchip im Betrieb emittiert wird, der Reihe nach durchlaufen werden. Das oder die Umlenkelemente können beispielsweise zur Slow Axis- und/oder Fast Axis-Kollimation der Laserstrahlung Verwendung finden. Auf diese Weise können mehrere Laserdiodenchips im Gehäuse der Laserdiodenvorrichtung relativ nah aneinander angeordnet werden, ohne dass sich die Strahlkeulen der einzelnen Laserdiodenchips innerhalb des Gehäuses überlagern.
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Wird am Abdeckelement ein Streuelement oder ein Lumineszenzkonversionselement verwendet, so ist eine besonders gleichmäßige Ausleuchtung dieses Elements wünschenswert. In diesem Fall erweist es sich als vorteilhaft, wenn sich die Strahlkeulen zumindest am Element jeweils bei ihrer Halbwertsbreite überlagern. Sollen die Strahlkeulen außerhalb des Gehäuses einzeln geführt werden, so sollten die Strahlkeulen zumindest beim Austritt aus dem Gehäuse um nicht mehr als 10% überlagern.
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Es können sämtliche Komponenten der Laserdiodenvorrichtung, sofern sie vorhanden sind, das heißt der zumindest eine Laserdiodenchip, das zumindest eine Umlenkelement, und das zumindest eine strahlformende optische Element an der Montagefläche des Gehäuses befestigt sein. Das Umlenkelement und das strahlformende optische Element können beispielsweise mittels Kleben an der Montagefläche befestigt sein.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laserdiodenvorrichtung umfasst die Laserdiodenvorrichtung wenigstens zwei Laserdiodenchips, wobei die Strahlungsaustrittsflächen von zwei der Laserdiodenchips einander zugewandt sind und zwischen den beiden Laserdiodenchips wenigstens ein Umlenkelement angeordnet ist. Das Umlenkelement ist also zwischen zwei einander zugewandten Laserdiodenchips angeordnet. Das Umlenkelement ist dabei derart ausgestaltet, dass Laserstrahlung von einem der Laserdiodenchips nicht zum anderen der Laserdiodenchips gelangen kann.
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Die optisch aktiven Flächen des Umlenkelements sind beispielsweise achsensymmetrisch zu einer Mittelachse angeordnet, relativ zu der auch die Laserdiodenchips achsensymmetrisch beidseitig des Umlenkelements angeordnet sind. Beispielsweise umfasst die Laserdiodenvorrichtung dabei ein einziges Umlenkelement, das sich entlang dieser Mittelachse erstreckt. Links und rechts von dem Umlenkelement können dann die Laserdiodenchips achsensymmetrisch oder versetzt zueinander angeordnet sein.
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Im Folgenden wird die hier beschriebene Laserdiodenvorrichtung anhand von Ausführungsbeispielen und den zugehörigen Figuren näher erläutert.
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Die 1A zeigt eine schematische Perspektivdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer hier beschriebenen Laserdiodenvorrichtung.
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Die 1B zeigt eine zugehörige schematische Schnittdarstellung.
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Die 2, 3, 4, 5 und 6 zeigen schematische Schnittdarstellungen weiterer Ausführungsbeispiele hier beschriebener Laserdiodenvorrichtungen.
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Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
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In der 1A ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Laserdiodenvorrichtung in einer schematischen Perspektivdarstellung gezeigt. Die 1B zeigt eine zugehörige Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A'.
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Die Laserdiodenvorrichtung umfasst ein Gehäuse 10. Vorliegend ist das Gehäuse 10 mit einem Metall gebildet. Das Gehäuse 10 weist eine Kavität 19 auf, in der die Komponenten der Laserdiodenvorrichtung angeordnet sind.
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Vorliegend sind vierzehn Nitrid-basierte Laserdiodenchips 1 in der Kavität 19 des Gehäuses 10 auf der Montagefläche 11 des Gehäuses befestigt. Zwischen der Montagefläche 11 und den Laserdiodenchips 1 ist jeweils ein Wärmeleitelement 3 angeordnet, wobei jedem Laserdiodenchip 1 ein Wärmeleitelement 3 eineindeutig zugeordnet ist.
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Die Laserdiodenchips 1 weisen jeweils Strahlungsaustrittsflächen 1a auf, durch die im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung die Laserdiodenchips 1 verlässt. Die Laserdiodenchips 1 sind in zwei Reihen beidseitig eines einzigen optischen Umlenkelements 2 angeordnet. Bei dem optischen Umlenkelement 2 handelt es sich vorliegend um einen Umlenkspiegel, der zwei verspiegelte Flächen aufweist, die den Strahlungsaustrittsflächen 1a der Laserdiodenchips 1 jeweils zugewandt sind. Vom optischen Umlenkelement 2 wird die von den Laserdiodenchips 1 im Betrieb erzeugte Strahlung hin zu einem Abdeckelement 20 reflektiert.
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Die Laserdiodenchips 1 können mittels eines Lotmaterials am Wärmeleitelement 3 befestigt sein. Das Wärmeleitelement 3 wiederum ist an seiner dem zugeordneten Laserdiodenchip 1 abgewandten Seite jeweils mittels eines Lotmaterials an der Montagefläche 11 befestigt.
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Das Gehäuse 10 weist Seitenwände 12 auf, welche die Kavität 19, in der die Komponenten der Laserdiodenvorrichtung angeordnet sind, in lateraler Richtung begrenzen.
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Das Gehäuse 10 ist dabei einstückig ausgebildet und weist zusätzlich zur Montagefläche 11 und den Seitenwänden 12 eine Befestigungsvorrichtung 16 auf, die vorliegend als Vorsprung an zwei Seiten des Gehäuses ausgebildet ist. Die Befestigungsvorrichtung 16 kann Durchbrüche 18 aufweisen, mittels denen das Gehäuse 10 beispielsweise durch Schrauben oder Nieten an einem nichtdargestellten Kühlkörper an der der Montagefläche 11 abgewandten Unterseite des Gehäuses 10 angeordnet und befestigt ist.
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Die Gehäusewand 12 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von Öffnungen 13 auf. Durch jede Öffnung 13 ist ein Anschlusselement 14 von außerhalb des Gehäuses in die Gehäusekavität geführt. Die Anschlusselemente 14 sind vorliegend als metallische Stifte oder Pins ausgeführt, die elektrisch isolierend in der Gehäusewand befestigt sind. Das heißt, die Anschlusselemente sind jeweils vom Gehäuse 10 elektrisch isoliert.
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Jedes Anschlusselement 14 ist in der Gehäusekavität 19 mittels eines Verbindungsdrahtes 15 mit einem zugeordneten Laserdiodenchip 1 elektrisch leitend verbunden. Über die Anschlusselemente 14 können die Laserdiodenchips 1 in der Gehäusekavität 19 einzeln angesteuert werden.
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Beabstandet zur Montagefläche 11 ist die Gehäusekavität 19 vom Abdeckelement 20 überdeckt. Das Abdeckelement 20 umfasst eine Einfassung 21, die aus einem metallischen Material besteht. Die Einfassung 21 umgibt ein Fensterelement 22. Die Einfassung 21 ist für die von den Laserdiodenchips 1 im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung nicht durchlässig, lediglich durch das Fensterelement 22 kann die Strahlung das Gehäuse 10 verlassen. Das Fensterelement 22 ist vorliegend beispielsweise mit Glas gebildet.
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Die Einfassung 21 ist an einer Auflagefläche 17, welche die Seitenwände 12 an der Oberseite des Gehäuses begrenzt, in einem Verbindungsbereich 23 mit den Seitenwänden 12 des Gehäuses verbunden. Die Verbindung kann beispielsweise über ein metallisches Lot, ein Glaslot, oder eine Schweißverbindung erfolgen, wobei der Verbindungsbereich 23 dann entsprechend ausgestaltet ist.
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An der den Leuchtdiodenchips 1 zugewandten Seite des Abdeckelements 20 ist optional ein Streuelement 32 angeordnet, das zur diffusen Streuung der von den Laserdiodenchips 1 im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung vorgesehen ist. Auf diese Weise ist es möglich, dass die elektromagnetische Strahlung beim Austritt aus dem Abdeckelement 20 homogen über die Fläche des Fensterelements 22 verteilt ist und gleichmäßig aus dem Gehäuse 10 austritt.
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Das Abdeckelement 20 schließt das Gehäuse dicht ab. Insbesondere kann das Gehäuse hermetisch dicht verschlossen sein, sodass die Laserdiodenchips 1 gegen atmosphärische Gase und Feuchtigkeit geschützt sind.
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Bei dem Gehäuse 10 kann es sich um eine Art Butterfly-Gehäuse handeln, wobei im Unterschied zu herkömmlichen Gehäusen dieses Typs das Abdeckelement 20 an der Oberseite des Gehäuses strahlungsdurchlässig ausgebildet ist.
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Vorliegend erfolgt über das Wärmeleitelement 3 eine Aufspreizung der im Betrieb im Laserdiodenchip 1 erzeugten Wärme, die damit über eine große Fläche an die Montagefläche 11 des Gehäuses 10 abgegeben werden kann. Von dort wird die Wärme über einen relativ kurzen Wärmeleitpfad an die Umgebung abgegeben. Auf dieser Weise ist es möglich, eine Vielzahl von Laserdiodenchips in einem einzigen Gehäuse anzuordnen, ohne dass die Effizienz des einzelnen Laserdiodenchips durch die Abwärme der umgebenen Laserdiodenchips zu stark abgesenkt wird.
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Damit ist eine Laserdiodenvorrichtung angegeben, die eine optische Ausgangsleistung von mehreren Watt aufweisen kann, wobei die optische Ausgangsleistung durch Vergrößerung des Gehäuses und Hinzufügen weiterer Laserdiodenchips in einfacher Weise skalierbar ist.
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Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1A und 1B zeigt die schematische Schnittdarstellung der 2 ein Ausführungsbeispiel, bei dem Laserdiodenchips in einer einzigen Reihe nebeneinander im Gehäuse angeordnet sind. Das emittierte Licht wird vom einzigen Umlenkelement, vorliegend ein Umlenkspiegel, zum Abdeckelement 20 reflektiert.
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In Verbindung mit der 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem zwischen der Strahlungsaustrittsfläche 1a der Laserdiodenchips 1 und dem Umlenkelement 2 ein strahlformendes optisches Element 4, vorliegend eine Zylinderlinse, angeordnet ist. Das strahlformende optische Element 4 dient dabei zur Kollimation der Strahlung. Auf dieser Weise können die Laserdiodenchips 1 möglichst nah aneinander angeordnet werden, ohne dass sich die Strahlkeulen der einzelnen Laserdiodenchips bereits innerhalb vom Gehäuse überlagern.
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In Verbindung mit der 4 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem das Ausführungsbeispiel der 1A und 1B um die strahlformenden optischen Elemente 4 des Ausführungsbeispiels der 3 ergänzt ist. Dabei sind die strahlformenden optischen Elemente 4 jeweils zwischen den Strahlungsaustrittsflächen 1a und dem Umlenkelement 2 angeordnet. Die strahlformenden optischen Elemente 4 können sich parallel zum Umlenkelement 2 beidseitig von diesem erstrecken. Auf dieser Weise ist eine besonders platzsparende Anordnung der Laserdiodenchips 1 im Gehäuse möglich, ohne dass sich die Strahlkeulen der einzelnen Laserdiodenchips innerhalb des Gehäuses überlagern.
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In Verbindung mit der 5 ist anhand einer schematischen Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1A und 1B jeder der beiden Reihen von Laserdiodenchips 1 ein eigenes optisches Umlenkelement 2 zugeordnet ist. An der den Laserdiodenchips 1 abgewandten Seite des Abdeckelements 20 sind optische Elemente, vorliegend Linsen 31, angeordnet, die für eine Strahlformung außerhalb des Gehäuses sorgen. Auf das Streuelement 32 wird dabei verzichtet.
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In Verbindung mit der 6 ist ein Ausführungsbeispiel anhand einer schematischen Schnittdarstellung näher erläutert, bei dem an der den Laserdiodenchips 1 abgewandten Außenseite des Abdeckelements 20 ein Lumineszenzkonversionselement 30 angeordnet. Ein solches Lumineszenzkonversionselement 30 kann beispielsweise auch bei den Ausführungsbeispielen der 1A, 1B, 2, 3 und 4 vorhanden sein. Mittels des Lumineszenzkonversionselements 30 ist es beispielsweise möglich, dass die Laserdiodenvorrichtung zur Emission von weißem Licht eingerichtet ist, das beispielsweise Mischlicht ist, das sich aus einem konvertierten Anteil der von den Laserdiodenchips 1 im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung und der im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung zusammensetzt.
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Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2004/107511 A2 [0002]
- WO 2010/069282 A2 [0002]
