DE102023111589B3 - Low-stress optical bench with thermal decoupling - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anordnung optischer Komponenten in einem thermisch entkoppelten Gehäuse (LH), insbesondere eine verspannungsarm aufgehängte, thermisch von einem Lasergehäuse entkoppelte optische Bank (OB), welche für mobile und satellitenbasierte Anwendungen beispielsweise in der Quanteninformationstechnologie und der Quantensensorik geeignet ist.Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Anordnung optischer Komponenten in einem Gehäuse (LH) umfasst ein Gehäuse (LH); eine optische Bank (OB), monolithisch ausgebildet aus einem steifen Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und Streckgrenze; mindestens zwei in der Ebene der optischen Bank (OB) wirkende Federelemente (SE) an den Außenrändern der optischen Bank (OB), wobei ausschließlich über die Federelemente (SE) eine Befestigung der optischen Bank (OB) auf Sockelelementen (PE) des Gehäuses (LH) erfolgt und die optische Bank (OB) freitragend über die Sockelelemente (PE) im Gehäuse (LH) gehalten wird; Klemmschienen (CB) unterhalb der Federelemente (SE); Wärmeisolatoren (TI) unterhalb der Klemmschienen (CB), wobei die Klemmschienen (CB) zumindest abschnittsweise auf den thermischen Isolatoren (TI) aufliegen und die Klemmschienen (CB) durch diese stabil gegenüber den Sockelelementen (PE) des Gehäuses (LH) abgestützt werden können; und ein Wärmeleitband (TS).The present invention relates to a device for arranging optical components in a thermally decoupled housing (LH), in particular an optical bench (OB) suspended with little tension and thermally decoupled from a laser housing, which is suitable for mobile and satellite-based applications, for example in quantum information technology and quantum sensor technology.A device according to the invention for arranging optical components in a housing (LH) comprises a housing (LH); an optical bench (OB), monolithically formed from a rigid material with high thermal conductivity and yield strength; at least two spring elements (SE) acting in the plane of the optical bench (OB) on the outer edges of the optical bench (OB), wherein the optical bench (OB) is attached to base elements (PE) of the housing (LH) exclusively via the spring elements (SE) and the optical bench (OB) is held cantilevered in the housing (LH) via the base elements (PE); clamping rails (CB) below the spring elements (SE); Thermal insulators (TI) beneath the clamping rails (CB), whereby the clamping rails (CB) rest at least in sections on the thermal insulators (TI) and the clamping rails (CB) can be stably supported by these against the base elements (PE) of the housing (LH); and a thermally conductive strip (TS).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anordnung optischer Komponenten in einem thermisch entkoppelten Gehäuse, insbesondere eine verspannungsarm aufgehängte, thermisch von einem Lasergehäuse entkoppelte mikrooptische Bank, welche für mobile und satellitenbasierte Anwendungen beispielsweise in der Quanteninformationstechnologie und der Quantensensorik geeignet ist.The present invention relates to a device for arranging optical components in a thermally decoupled housing, in particular a low-stress suspended micro-optical bench that is thermally decoupled from a laser housing and is suitable for mobile and satellite-based applications, for example in quantum information technology and quantum sensor technology.
Stand der TechnikState of the art
Für eine Vielzahl von Anwendungen, zum Beispiel in der Quanteninformationstechnologie, der Quantensensorik, bei optischen Uhren und für die kohärente Satellitenkommunikation, werden Lasermodule benötigt, die eine ultrastabile Frequenzreferenz mit geringer Linienbreite realisieren und bereitstellen können. Für den Betrieb von Lasermodulen außerhalb der optischen Laboratorien, wie z. B. im Feldbetrieb für Anwendungen in der Quanteninformatik und insbesondere für den Einsatz auf einer Satellitenplattform, müssen die Lasermodule besonders hohe technische Anforderungen erfüllen. Die Lasermodule müssen u. a.:
- • klein, leicht und kompakt sein,
- • eine hohe intrinsische mechanische Stabilität aufweisen, insbesondere während des Starts zu einer Weltraummission,
- • eine Temperaturkontrolle des opto-mechanischen Aufbaus ermöglichen, und
- • eine sehr hohe thermische Stabilität des gesamten opto-mechanischen Aufbaus während des Betriebs gewährleisten können.
- • be small, light and compact,
- • have a high intrinsic mechanical stability, especially during launch for a space mission,
- • enable temperature control of the opto-mechanical structure, and
- • ensure a very high thermal stability of the entire opto-mechanical structure during operation.
Da es im Stand der Technik bisher keine geeigneten Lasermodule gibt, die all diese technischen Anforderungen gleichzeitig erfüllen können, wird eine verspannungsarme (mikro)optische Bank benötigt, die thermisch von einem Gehäuse entkoppelt, zur Temperaturstabilisierung jedoch an eine dynamisch regelbare Umgebung angekoppelt ist.Since there are currently no suitable laser modules in the state of the art that can meet all these technical requirements simultaneously, a low-stress (micro)optical bench is required that is thermally decoupled from a housing but coupled to a dynamically controllable environment for temperature stabilization.
Im Stand der Technik werden temperaturstabilisierte Gehäuselösung für besonders kompakte (Dioden-)Lasermodule üblicherweise als Butterfly-Gehäuse ausgeführt (siehe z. B.
Ein Nachteil solcher Butterfly-Gehäuse ist deren Größenbeschränkung. Die Grundfläche (Länge × Breite) der OB ist auf die maximale Größe des verwendeten TEC limitiert. Als Grundfläche des TEC stehen in solchen Baugruppen typischerweise nur etwa 20 × 20 mm2 bis 25 × 25 mm2 zur Verfügung, um Beschädigungen während der Montage und des Betriebs aufgrund einer thermo-mechanischen Ausdehnung des oberen (gemeinhin als kalt bezeichneten) Keramiksubstrats gegenüber dem unteren (gemeinhin als heiß bezeichneten) Keramiksubstrat und des unteren (heißen) Keramiksubstrats gegenüber dem Gehäuse zu vermeiden. Weiterhin ist zu beachten, dass wenn das Gehäuse durch äußere Kräfte mechanisch verformt wird, sich dies unmittelbar auf die OB auswirken und eine Fehlausrichtung der optischen Komponenten verursachen kann.A disadvantage of such butterfly packages is their size limitation. The footprint (length × width) of the OB is limited to the maximum size of the TEC used. The footprint of the TEC in such assemblies is typically only about 20 × 20 mm 2 to 25 × 25 mm 2 to avoid damage during assembly and operation due to thermo-mechanical expansion of the upper (commonly referred to as cold) ceramic substrate relative to the lower (commonly referred to as hot) ceramic substrate and the lower (hot) ceramic substrate relative to the package. It should also be noted that if the package is mechanically deformed by external forces, this can have a direct effect on the OB and cause misalignment of the optical components.
Eine weitere temperaturstabilisierte Gehäuselösung für kompakte satellitentaugliche (Dioden-)Lasermodule ist beispielsweise in Kürbis et al. (
Bei dem in
Die Grundfläche der OB eines solchen Lasermoduls kann deutlich größer als bei einem Butterfly-Gehäuse sein, beispielsweise weist die in
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verspannungsarme optische Bank mit guter thermischer Ankopplung an die Umgebung bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet oder zumindest deutlich verringert. Insbesondere soll eine verspannungsarm aufgehängte, thermisch gut von einem Gehäuse entkoppelte mikrooptische Bank bereitgestellt werden, welche für mobile und satellitenbasierte Anwendungen beispielsweise in der Quanteninformationstechnologie und der Quantensensorik geeignet ist.It is therefore an object of the present invention to provide a low-stress optical bench with good thermal coupling to the environment, which avoids the disadvantages of the prior art or at least significantly reduces them. In particular, a micro-optical bench is to be provided which is suspended with low stress and is thermally well decoupled from a housing and which is suitable for mobile and satellite-based applications, for example in quantum information technology and quantum sensor technology.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den zugehörigen abhängigen Ansprüchen enthalten. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und sind durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzbar, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.These objects are achieved according to the invention by the features of the independent patent claim. Useful embodiments of the invention are contained in the associated dependent claims. The features listed individually in the patent claims can be combined with one another in a technologically meaningful manner and can be supplemented by explanatory facts from the description and/or details from the figures, whereby further embodiments of the invention are shown.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Anordnung optischer Komponenten in einem Gehäuse umfasst ein Gehäuse; eine optische Bank, monolithisch ausgebildet aus einem steifen Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und Streckgrenze; mindestens zwei in der Ebene der optischen Bank wirkende Federelemente an den Außenrändern der optischen Bank, wobei ausschließlich über die Federelemente eine Befestigung der optischen Bank auf Sockelelementen des Gehäuses erfolgt und die optische Bank freitragend über die Sockelelemente im Gehäuse gehalten wird; Klemmschienen unterhalb der Federelemente; Wärmeisolatoren unterhalb der Klemmschienen, wobei die Klemmschienen zumindest abschnittsweise auf den Wärmeisolatoren (auch als thermische Isolatoren bezeichnet) aufliegen und die Klemmschienen durch diese stabil gegenüber den Sockelelementen des Gehäuses abgestützt werden; und ein Wärmeleitband, wobei ein erstes Ende des Wärmeleitbandes an einem freitragenden Bereich der optischen Bank und ein zweites Ende des Wärmeleitbandes zwischen einem Sockelelement und einer Klemmschiene neben einem Wärmeisolator fixiert wird.A device according to the invention for arranging optical components in a housing comprises a housing; an optical bench, monolithically formed from a rigid material with high thermal conductivity and yield strength; at least two spring elements acting in the plane of the optical bench on the outer edges of the optical bench, wherein the optical bench is attached to base elements of the housing exclusively via the spring elements and the optical bench is held in the housing in a self-supporting manner via the base elements; clamping rails below the spring elements; heat insulators below the clamping rails, wherein the clamping rails rest at least in sections on the heat insulators (also referred to as thermal insulators) and the clamping rails are stably supported by these with respect to the base elements of the housing; and a heat-conducting tape, wherein a first end of the heat-conducting tape is fixed to a self-supporting area of the optical bench and a second end of the heat-conducting tape is fixed between a base element and a clamping rail next to a heat insulator.
Bei dem Gehäuse kann es sich insbesondere um ein Lasergehäuse zur Aufnahme einer (Dioden-)Laseranordnung auf der optischen Bank handeln. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf solche Anwendungen eingeschränkt und kann beispielsweise auch auf ein Detektorgehäuse zur Aufnahme einer reinen Detektoranordnung auf der optischen Bank beziehen. Das Gehäuse kann beispielsweise aus Edelstahl, Kovar ® oder Aluminium gefertigt sein.The housing can be, in particular, a laser housing for accommodating a (diode) laser arrangement on the optical bench. However, the present invention is not limited to such applications and can, for example, also be applied to a detector housing for accommodating a pure detector arrangement on the optical bench. The housing can be made of stainless steel, Kovar ® or aluminum, for example.
Das Material der optischen Bank soll steif sein, d. h. ein möglichst hohes Elastizitätsmodul E aufweisen. Bevorzugt weist das Material ein Elastizitätsmodul E von über 70 GPa auf, bevorzugter von über 100 GPa, noch bevorzugter von über 200 GPa. Die Wärmeleitfähigkeit κ sollte ebenfalls möglichst hoch sein, bevorzugt sind Werte über 75 W/(m·K), bevorzugter über 150 W/(m·K), noch bevorzugter von über 200 W/(m·K). Die Streckgrenze Re (engl. „yield strength“) bezeichnet diejenige mechanische Spannung, bis zu der ein Werkstoff elastisch verformbar ist. Insofern sollte auch dieser Wert möglichst hoch sein. Üblicherweise wird bei technischen Werkstoffen statt der Streckgrenze die genauer zu ermittelnde so genannte 0,2-%-Dehngrenze (auch als Elastizitätsgrenze Rp0,2 bezeichnet) angegeben. Bevorzugte Werte für die 0,2-%-Dehngrenze liegen über 200 MPa, bevorzugter über 300 MPa, noch bevorzugter über 500 MPa. Eine besonders hohe Streckgrenze (bzw. 0,2-%-Dehngrenze) ist bevorzugt, da das Material der optischen Bank zur mechanischen Entkopplung der optischen Bank von der Umgebung genutzt werden kann und plastische Verformungen bei mechanischer Belastung unbedingt vermieden werden müssen. Bevorzugt handelt es sich bei der optischen Bank um eine mikrooptische Bank. Als mikrooptische Bänke werden im Rahmen dieser Anmeldung optische Bänke mit einer maximalen Fläche von bis zu etwa 10.000 mm2 (z. B. eine optische Bank mit einer Fläche von 60 × 95 mm2) verstanden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf solche mikrooptischen Bänke eingeschränkt.The material of the optical bench should be rigid, i.e. have as high a modulus of elasticity E as possible. The material preferably has a modulus of elasticity E of over 70 GPa, more preferably over 100 GPa, even more preferably over 200 GPa. The thermal conductivity κ should also be as high as possible, values over 75 W/(m·K) are preferred, more preferably over 150 W/(m·K), even more preferably over 200 W/(m·K). The yield strength R e is the mechanical stress up to which a material can be elastically deformed. In this respect, this value should also be as high as possible. For technical materials, the more precisely determined so-called 0.2% proof stress (also known as elastic limit R p0.2 ) is usually specified instead of the yield strength. Preferred values for the 0.2% yield strength are over 200 MPa, more preferably over 300 MPa, even more preferably over 500 MPa. A particularly high yield strength (or 0.2% yield strength) is preferred because the material of the optical bench can be used to mechanically decouple the optical bench from the environment and plastic deformations under mechanical stress must be avoided at all costs. The optical bench is preferably a micro-optical bench. In the context of this application, micro-optical benches are understood to mean optical benches with a maximum area of up to about 10,000 mm 2 (e.g. an optical bench with an area of 60 × 95 mm 2 ). However, the present invention is not restricted to such micro-optical benches.
Die Federelemente an den Außenrändern der optischen Bank sollen insbesondere in der Ebene der optischen Bank wirken. Dadurch können unterschiedliche Ausdehnungen der optischen Bank und des Gehäuses ausgeglichen werden. Zusätzlich können die Federelemente jedoch auch eine senkrecht zur Ebene der optischen Bank wirkende Federkomponente aufweisen. Dies ermöglicht neben dem besagten Ausdehnungsausgleich auch einen Ausgleich einer eventuellen Verbiegung zwischen dem Gehäuse und der optischen Bank. Die Federelemente können somit zur Wirkung in unterschiedlichen Richtungen ausgebildet sein.The spring elements on the outer edges of the optical bench should act in particular in the plane of the optical bench. This allows different expansions of the optical bench and the housing to be compensated. In addition, however, the spring elements can also have a spring component that acts perpendicular to the plane of the optical bench. In addition to the aforementioned expansion compensation, this also allows compensation for any bending between the housing and the optical bench. The spring elements can thus be designed to act in different directions.
Die Sockelelemente des Gehäuses haben die Aufgabe, Auflage- und Abstützpunkte für eine freitragende Halterung der optischen Bank zu ermöglichen. Die Sockelelemente sollten dabei gegenüber einem Gehäuseboden eine ausreichende Höhe aufweisen, um sowohl die optische Bank als auch die vorzugsweise an der Unterseite angeordneten Wärmeleitbänder vom Boden des Gehäuses fernzuhalten.The base elements of the housing are designed to provide support and support points for a cantilevered mount for the optical bench. The base elements should be sufficiently high compared to the base of the housing to keep both the optical bench and the heat conducting strips, which are preferably arranged on the underside, away from the base of the housing.
Die Erfindung löst das technische Problem der Montage der optischen Bank im Gehäuse, und zwar so, dass die mechanische und thermomechanische Beanspruchung und die Verformung von der optischen Bank ferngehalten werden und gleichzeitig eine gute thermische Entkopplung der optischen Bank mit dem Gehäuse ermöglicht wird.The invention solves the technical problem of mounting the optical bench in the housing in such a way that the mechanical and thermomechanical stress and deformation are kept away from the optical bench and at the same time a good thermal decoupling of the optical bench from the housing is enabled.
Insbesondere kann die optische Bank auch von einer mechanischen Belastung durch die Umgebung entkoppelt werden. Mechanische Spannungen, die durch die mechanische Verformung des Lasergehäuses oder durch eine relative thermische Ausdehnung oder Kontraktion der optischen Bank und/oder des Gehäuses entstehen können, werden nicht auf die optische Bank übertragen, da die flexiblen und mechanische Spannungen führenden Festkörperstrukturen alle Spannungen und Verformungen aufnehmen können, die durch die Veränderung der Umgebung auftreten. Dadurch kann sich auch das Material des Gehäuses vom Material der optischen Bank unterscheiden.In particular, the optical bench can also be decoupled from mechanical stress from the environment. Mechanical stresses that can arise from the mechanical deformation of the laser housing or from a relative thermal expansion or contraction of the optical bench and/or the housing are not transferred to the optical bench, since the flexible and mechanically stress-carrying solid-state structures can absorb all stresses and deformations that occur due to changes in the environment. This means that the material of the housing can also differ from the material of the optical bench.
Vorzugsweise handelt es sich bei den Federelementen um in einer Ebene mit der optischen Bank angeordnete Festkörpergelenkstrukturen. Die Festkörpergelenkstrukturen können dabei zur Wirkung in unterschiedlichen Richtungen ausgebildet sein. Bevorzugt können die Festkörpergelenkstrukturen in der Ebene der optischen Bank sowie senkrecht zu dieser Ebene wirken. Die Federelemente können dazu schmale Stege und verjüngte Bereiche umfassen, durch welche eine weitgehende mechanische Entkopplung zwischen der freitragenden optischen Bank und den mit den Sockelelementen des Gehäuses fest verbundenen Abschnitten der einzelnen Federelemente realisiert werden kann. Insbesondere können über die Federelemente auftretende Spannungen zwischen dem Gehäuse und der optischen Bank aufgenommen werden, so dass sich diese nicht auf die optische Bank auswirken können.The spring elements are preferably solid-state joint structures arranged in the same plane as the optical bench. The solid-state joint structures can be designed to act in different directions. The solid-state joint structures can preferably act in the plane of the optical bench and perpendicular to this plane. The spring elements can also comprise narrow webs and tapered areas, through which extensive mechanical decoupling can be achieved between the self-supporting optical bench and the sections of the individual spring elements that are firmly connected to the base elements of the housing. In particular, the spring elements can absorb stresses that occur between the housing and the optical bench, so that they cannot affect the optical bench.
Vorzugsweise sind die Federelemente monolithisch in dem Material der optischen Bank ausgebildet. Dies ermöglicht eine homogene Ausbildung der Strukturen und erhöht deren Zuverlässigkeit. Alternativ dazu können die Federelemente jedoch auch unabhängig von der optischen Bank aus dem gleichen oder einem anderen Material wie die optische Bank ausgebildet und mit dieser verbunden werden. Ein Verbinden kann beispielsweise durch Löten, Schweißen, Kleben, Schrauben oder einer Kombination daraus erfolgen.Preferably, the spring elements are formed monolithically in the material of the optical bench. This enables a homogeneous formation of the structures and increases their reliability. Alternatively, however, the spring elements can also be formed independently of the optical bench from the same or a different material as the optical bench and connected to it. Connection can be made, for example, by soldering, welding, gluing, screwing or a combination thereof.
Vorzugsweise ist die optische Bank aus einer Mo70Cu30-Legierung, Kovar ® oder einem anderen metallischen oder keramischen Material gefertigt. Dabei ist die Verwendung von Mo70Cu30-Legierung besonders bevorzugt, da das Material Mo70Cu30 die Eigenschaften hat, nicht magnetisch zu sein, einen niedrigen Gasgehalt aufweist, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten bietet, für Vakuumanwendungen geeignet und gut zu bearbeiten ist. Außerdem weist es einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der mit dem von GaAs (einem typischerweise verwendeten Material für Laserchips) weitgehend übereinstimmt. Eine Mo70Cu30-Legierung zur Ausbildung einer optischen Bank ist bisher im Stand der Technik nicht bekannt. Anstatt einer besonders bevorzugten Mo70Cu30-Legierung kann jedoch auch eine davon abweichende MoxCu100-x-Legierung mit x zwischen 50 und 90, bevorzugter zwischen 60 und 80 verwendet werden. Bei einem geeigneten keramischen Material kann es sich beispielsweise um Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid handeln.Preferably, the optical bench is made of a Mo 70 Cu 30 alloy, Kovar ® or another metallic or ceramic material. The use of Mo 70 Cu 30 alloy is particularly preferred because the material Mo 70 Cu 30 has the properties of being non-magnetic, having a low gas content, offering high thermal conductivity and a low coefficient of thermal expansion, being suitable for vacuum applications and being easy to process. In addition, it has a coefficient of thermal expansion that largely corresponds to that of GaAs (a material typically used for laser chips). A Mo 70 Cu 30 alloy for forming an optical bench is not yet known in the prior art. Instead of a particularly preferred Mo 70 Cu 30 alloy, however, a different Mo x Cu 100-x alloy with x between 50 and 90, more preferably between 60 and 80, can also be used. A suitable ceramic material can be, for example, aluminum oxide or aluminum nitride.
Vorzugsweise ist die optische Bank mit den Sockelelementen im Gehäuse über eine Schraubverbindung, eine Lötverbindung, eine Schweißverbindung, eine Klemmverbindung, eine Klebeverbindung oder eine Kombination daraus verbunden. Eine Schraubverbindung bietet neben einer einfachen Lösbarkeit der Verbindung den Vorteil einer besonderen Zuverlässigkeit und Einfachheit.Preferably, the optical bench is connected to the base elements in the housing via a screw connection, a solder connection, a weld connection, a clamp connection, an adhesive connection or a combination thereof. In addition to the easy detachability of the connection, a screw connection offers the advantage of being particularly reliable and simple.
Vorzugsweise ist das erste Ende des Wärmeleitbands an der optischen Bank über eine Lötverbindung, eine Schweißverbindung, eine Klebeverbindung oder eine Klemmverbindung befestigt. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung kann zwischen dem ersten Ende des Wärmeleitbands und der optischen Bank ein Wärmeleitpad angeordnet sein.Preferably, the first end of the thermally conductive tape is attached to the optical bench via a soldered connection, a welded connection, an adhesive connection or a clamped connection. To improve the heat transfer, a thermally conductive pad can be arranged between the first end of the thermally conductive tape and the optical bench.
Vorzugswiese ist zwischen dem zweiten Ende des Wärmeleitbandes und dem Sockelelement ein elektro-thermischer Wandler angeordnet ist. Alternativ hierzu oder zusätzlich kann zwischen dem zweiten Ende des Wärmeleitbandes und dem Sockelelement auch ein Widerstandheizer angeordnet sein. Der Widerstandsheizer kann beispielsweise in besonderes kalten Umgebungen (Arktis, Weltraum) neben dem elektro-thermischen Wandler zusätzlich zur Erwärmung der optischen Bank genutzt werden und somit auch ohne eine schnelle Regelungsmöglichkeit durch einen elektro-thermischen Wandler einen „thermischen Offset“ zur Bereitstellung einer Grundwärme bereitstellen. Sollte eine schnelle Temperaturregelung hingegen nicht erforderlich sein, so können die Widerstandsheizer auch ohne zusätzliche elektro-thermische Wandler genutzt werden.Preferably, an electro-thermal converter is arranged between the second end of the heat conducting tape and the base element. Alternatively or additionally, a resistance heater can also be arranged between the second end of the heat conducting tape and the base element. In particularly cold environments (Arctic, space), for example, the resistance heater can be used in addition to the electro-thermal converter to heat the optical bench and thus provide a "thermal offset" to provide basic heat even without the possibility of rapid control by an electro-thermal converter. If rapid temperature control is not required, however, the resistance heaters can also be used without additional electro-thermal converters.
Vorzugsweise kontaktiert ein zwischen dem zweiten Ende des Wärmeleitbandes und dem Sockelelement angeordneter elektro-thermischer Wandler oder Widerstandheizer das zweiten Ende des Wärmeleitbandes an dessen Ober- und/oder Unterseite direkt oder über ein Wärmeleitpad. Dabei kann eine Fixierung beispielsweise durch Löten, Schweißen, Kleben, Klemmen oder einer Kombination daraus erfolgen.Preferably, an electro-thermal converter or resistance heater arranged between the second end of the thermally conductive strip and the base element contacts the second end of the thermally conductive strip on its top and/or bottom side directly or via a thermally conductive pad. Fixing can be carried out, for example, by soldering, welding, gluing, clamping or a combination thereof.
Eine erfindungsgemäße optische Bank bietet deutliche Vorteile gegenüber den im Stand der Technik bekannten Lösungen. Die erfindungsgemäße optische Bank kann mit Hilfe von Schrauben am Gehäuse befestigt werden. Die optische Bank kann als optische Komponenten beispielsweise Linsen, Spiegel, Polarisationsoptiken (Verzögerungsplatten, Polarisatoren), elektro-optische oder akusto-optische Modulatoren, Laserchips, Gaszellen und/oder diskrete Elektronik (Temperatursensoren, TEC, Fotodioden u. a.) tragen, um als Laser, Spektroskopieeinrichtung, Modul zur Strahlumschaltung, Strahlverteilung oder Strahlzusammenführung, zur Erzeugung von Laserimpulsen oder als eine Kombination daraus zu funktionieren.An optical bench according to the invention offers significant advantages over the solutions known in the prior art. The optical bench according to the invention can be attached to the housing using screws. The optical bench can carry as optical components, for example lenses, mirrors, polarization optics (retardation plates, polarizers), electro-optical or acousto-optical modulators, laser chips, gas cells and/or discrete electronics (temperature sensors, TEC, photodiodes, etc.) in order to function as a laser, spectroscopy device, module for beam switching, beam distribution or beam merging, for generating laser pulses or as a combination thereof.
Die Federelemente können dadurch bereitgestellt werden, dass einige Teile eines Materials zur Bereitstellung der optischen Bank herausgeschnitten werden, um flexible und belastungsfähige mechanische Strukturen (einschließlich Biegungen, Verjüngungen und Gelenke) bereitzustellen.The spring elements may be provided by cutting out some portions of a material providing the optical bench to provide flexible and resilient mechanical structures (including bends, tapers and joints).
Die elektro-thermischen Wandler bzw. Widerstandheizer, die Wärmeleitpads und die Wärmeisolatoren können vollständig im Inneren des Gehäuses untergebracht und zwischen der optischen Bank und dem Gehäuse angeordnet werden. Daher kann die Erwärmung oder Abkühlung der optischen Bank durch den Betrieb der elektro-thermischen Wandler bzw. der Widerstandheizer gesteuert werden, und die optische Bank und das Gehäuse sind thermisch voneinander entkoppelt. Eine Temperaturänderung des Gehäuses wirkt sich somit nicht auf die Temperatur der optischen Bank aus, da die elektro-thermischen Wandler bzw. Widerstandheizer, die Wärmeleitpads und die Wärmeisolatoren zwischen der optischen Bank und dem Lasergehäuse es ermöglichen, die Temperatur der optischen Bank unabhängig von der Temperatur des Gehäuses zu regeln.The electro-thermal transducers or resistance heaters, the thermal pads and the thermal insulators can be completely housed inside the housing and arranged between the optical bench and the housing. Therefore, the heating or cooling of the optical bench can be controlled by the operation of the electro-thermal transducers or resistance heaters, and the optical bench and the housing are thermally decoupled from each other. A change in the temperature of the housing thus does not affect the temperature of the optical bench, since the electro-thermal transducers or resistance heaters, the thermal pads and the thermal insulators between the optical bench and the laser housing make it possible to control the temperature of the optical bench independently of the temperature of the housing.
Flexible Wärmeleitbänder können die Unterseite der optischen Bank mit den elektro-thermischen Wandlern bzw. Widerstandheizern verbinden, um spezifische Pfade für die Wärmeübertragung zu schaffen. Die Wärmeleitbänder können mit einem Ende mittels eines wärmeleitenden Klebstoffs auf die optische Bank geklebt und mit dem anderen Ende an den elektro-thermischen Wandlern bzw. Widerstandheizern befestigt werden. Die Wärmeleitbänder ermöglichen dabei den thermischen Kontakt zwischen der optischen Bank und den elektro-thermischen Wandlern bzw. Widerstandheizern, ohne eine starke mechanische Kopplung zwischen der optischen Bank und den elektro-thermischen Wandlern bzw. Widerstandheizern herzustellen. Gegenüber dem Stand der Technik können die elektro-thermischen Wandlern bzw. Widerstandheizern deutlich näher an der optischen Bank angeordnet werden, wodurch der Wärmewiderstand zwischen dem Gehäuse und der optischen Bank geringer und eine verbesserte und beschleunigte Temperaturregulierung der optischen Bank ermöglicht werden.Flexible thermal tapes can connect the bottom of the optical bench to the electro-thermal transducers or resistive heaters to create specific paths for heat transfer. The thermal tapes can be glued to the optical bench with one end using a thermally conductive adhesive and attached to the electro-thermal transducers or resistive heaters with the other end. The thermal tapes enable thermal contact between the optical bench and the electro-thermal transducers or resistive heaters. mixed transducers or resistance heaters without creating a strong mechanical coupling between the optical bench and the electro-thermal transducers or resistance heaters. Compared to the state of the art, the electro-thermal transducers or resistance heaters can be arranged much closer to the optical bench, which reduces the thermal resistance between the housing and the optical bench and enables improved and faster temperature regulation of the optical bench.
Die vorliegende Erfindung ist gegenüber Vorrichtungen gemäß Stand der Technik zudem wesentlich robuster gegenüber Vibrationen, mechanischen Verformungen und Belastungen sowie gegenüber Temperaturschwankungen, da die optische Bank aufgrund der Federelemente nicht starr mit dem Gehäuse verbunden sowie durch die spezifische Ausführung der Wärmepfade thermisch vom Gehäuse entkoppelt ist.Compared to devices according to the prior art, the present invention is also significantly more robust against vibrations, mechanical deformations and loads as well as against temperature fluctuations, since the optical bench is not rigidly connected to the housing due to the spring elements and is thermally decoupled from the housing due to the specific design of the heat paths.
Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Federelemente insbesondere derart ausgebildet sein, dass diese nicht in allen Richtungen flexibel sind und deren Anordnung und Eigenschaften so gewählt sind, dass die optische Bank eine definierte Position einnimmt. Die optische Bank soll dabei über die Federelemente allerdings nicht frei im Gehäuse „schwimmend“ gelagert werden, vielmehr sollen die Federelemente durch entsprechende Anpassung lediglich Verformungen des Gehäuses folgen und die dabei auftretenden mechanischen Kräfte und Spannungen aufnehmen können, ohne dass dadurch die optische Bank mit verformt wird.In some embodiments of the present invention, the spring elements can be designed in such a way that they are not flexible in all directions and their arrangement and properties are selected so that the optical bench assumes a defined position. However, the optical bench should not be freely "floating" in the housing via the spring elements; rather, the spring elements should only follow deformations of the housing through appropriate adjustment and be able to absorb the mechanical forces and stresses that occur without the optical bench being deformed as a result.
Die vorliegende Erfindung kann beispielsweise verwendet werden als:
- • ultrastabiler Uhrenlaser in einem optischen Atomuhrensystem,
- • lokaler Oszillator für kohärente (Inter-)Satelliten-Kommunikation,
- • Lasersystem für neutrale atom- oder ionenbasierte Quantenberechnungen, sowie
- • Lasersystem für die atominterferometrische Trägheitsnavigation oder für die Gravitationsgradiometrie.
- • ultra-stable clock laser in an optical atomic clock system,
- • local oscillator for coherent (inter-)satellite communication,
- • Laser system for neutral atom- or ion-based quantum calculations, as well as
- • Laser system for atom interferometric inertial navigation or for gravitational gradiometry.
Die vorliegende Erfindung kann ferner zur Implementierung von photonischen Modulen und Systemen verwendet werden, die eine Laserstrahlkontrolle ermöglichen, z. B. zur Pulserzeugung, Strahlkombination und -verteilung und ähnlichem. Im Allgemeinen unterstützt die Erfindung die Miniaturisierung sowohl von photonischen als auch von elektrooptischen Lösungen.The present invention can further be used to implement photonic modules and systems that enable laser beam control, e.g., for pulse generation, beam combining and distribution, and the like. In general, the invention supports the miniaturization of both photonic and electro-optic solutions.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den jeweiligen Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention result from the features mentioned in the respective subclaims.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application can be advantageously combined with one another, unless stated otherwise in individual cases.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Anordnung optischer Komponenten gemäß Stand der Technik; -
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Anordnung optischer Komponenten; und -
3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Anordnung optischer Komponenten nach2 im Querschnitt.
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1 a schematic representation of a device for arranging optical components according to the prior art; -
2 a schematic representation of an embodiment of a device according to the invention for arranging optical components; and -
3 a schematic representation of the device according to the invention for arranging optical components according to2 in cross section.
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Das Gehäuse LH ist mit einer Montageplatte (engl. „mounting plate, MP“; nicht gezeigt) verschraubt, die zudem auch als Kühlkörper fungiert. Der Abstand zwischen dem Gehäuse LH und der Montageplatte MP wird über einen Modul-Abstandshalter (engl. „module spacer, MS“) festgelegt, der sowohl der mechanischen Positionierung (des Gehäuses LH auf die Montageplatte MP) als auch der thermischen Isolation (zwischen dem Gehäuse LH und der Montageplatte MP) dient. Zwischen dem Gehäuse LH und der Montageplatte MP ist (mittig unter dem Gehäuse LH) ein elektro-thermischer Wandler (Peltier-Element) TEC angeordnet, dieser befindet sich somit außerhalb des Gehäuses LH. Zur Verbesserung der Wärmeleitung können thermisch leitfähige und flexible Wärmeleitpads (engl. „thermal interface material, TIM“) zwischen dem Gehäuse LH und dem elektro-thermischen Wandler TEC sowie zwischen dem elektro-thermischen Wandler TEC und der Montageplatte MP angeordnet werden. Der elektro-thermische Wandler TEC dient der präzisen Temperaturregelung der optischen Bank OB, z. B. ermöglicht der elektro-thermische Wandler TEC die Ableitung von Wärme und eine Temperaturstabilisierung der optischen Bank OB, falls sich die Temperatur des Gehäuses LH oder die Wärmebelastung der optischen Bank OB ändert.The housing LH is screwed to a mounting plate (MP; not shown), which also functions as a heat sink. The distance between the housing LH and the mounting plate MP is determined by a module distance holder (English: module spacer, MS) is specified, which serves both for mechanical positioning (of the housing LH on the mounting plate MP) and for thermal insulation (between the housing LH and the mounting plate MP). An electro-thermal converter (Peltier element) TEC is arranged between the housing LH and the mounting plate MP (centrally under the housing LH), which is therefore located outside the housing LH. To improve heat conduction, thermally conductive and flexible thermal interface material (TIM) can be arranged between the housing LH and the electro-thermal converter TEC and between the electro-thermal converter TEC and the mounting plate MP. The electro-thermal converter TEC is used for precise temperature control of the optical bench OB, e.g. the electro-thermal converter TEC enables heat to be dissipated and the temperature of the optical bench OB to be stabilized if the temperature of the housing LH or the heat load on the optical bench OB changes.
Bei dem Gehäuse LH kann es sich insbesondere um ein Lasergehäuse zur Aufnahme einer (Dioden-)Laseranordnung auf der optischen Bank OB handeln. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf solche Anwendungen eingeschränkt und kann sich beispielsweise auch auf ein Detektorgehäuse zur Aufnahme einer Detektoranordnung auf der optischen Bank OB beziehen.The housing LH can in particular be a laser housing for accommodating a (diode) laser arrangement on the optical bench OB. However, the present invention is not restricted to such applications and can, for example, also relate to a detector housing for accommodating a detector arrangement on the optical bench OB.
Bei den Federelementen SE handelt es sich um in einer Ebene mit der optischen Bank OB angeordnete Festkörpergelenkstrukturen. Die Festkörpergelenkstrukturen können dabei zur Wirkung in unterschiedlichen Richtungen ausgebildet sein. Bevorzugt können die Festkörpergelenkstrukturen in der Ebene der optischen Bank OB sowie senkrecht zu dieser Ebene wirken. Die Federelemente SE können dazu wie eingezeichnet schmale Stege (Wirkung in der Ebene der optischen Bank OB) und verjüngte Bereiche (Wirkung senkrecht zur Ebene der optischen Bank OB) umfassen, durch welche eine weitgehende mechanische Entkopplung zwischen der freitragenden optischen Bank OB und den mit den Sockelelementen PE des Gehäuses LH fest verbundenen Abschnitten der einzelnen Federelemente SE realisiert wird. Insbesondere können über die Federelemente SE auftretenden Spannungen durch unterschiedlichen Ausdehnung oder eine Verbiegung zwischen dem Gehäuse LH und der optischen Bank OB aufgenommen werden, so dass sich diese nicht auf die optische Bank OB auswirken können. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die in der Darstellung nur beispielhaft gezeigten Festkörpergelenkstrukturen beschränkt.The spring elements SE are solid-state joint structures arranged in a plane with the optical bench OB. The solid-state joint structures can be designed to act in different directions. The solid-state joint structures can preferably act in the plane of the optical bench OB and perpendicular to this plane. The spring elements SE can, as shown, comprise narrow webs (acting in the plane of the optical bench OB) and tapered areas (acting perpendicular to the plane of the optical bench OB), through which a substantial mechanical decoupling is achieved between the self-supporting optical bench OB and the sections of the individual spring elements SE that are firmly connected to the base elements PE of the housing LH. In particular, stresses that occur via the spring elements SE due to different expansion or bending between the housing LH and the optical bench OB can be absorbed so that they cannot affect the optical bench OB. However, the present invention is not limited to the solid-state joint structures shown only as examples in the illustration.
In der Darstellung sind die Federelemente SE monolithisch in dem Material der optischen Bank OB ausgebildet. Die Federelemente SE können jedoch auch unabhängig von der optischen Bank OB aus dem gleichen oder einem anderen Material wie die optische Bank OB ausgebildet und mit dieser verbunden sein. Die optische Bank OB ist vorzugsweise aus einer Mo70Cu30-Legierung, Kovar ® oder einem anderen metallischen oder keramischen Material gefertigt.In the illustration, the spring elements SE are formed monolithically in the material of the optical bench OB. However, the spring elements SE can also be formed independently of the optical bench OB from the same or a different material as the optical bench OB and connected to it. The optical bench OB is preferably made of a Mo 70 Cu 30 alloy, Kovar ® or another metallic or ceramic material.
Die gezeigte optische Bank OB ist mit den Sockelelementen PE im Gehäuse LH über eine Schraubverbindung verbunden. Alternativ hierzu kann jedoch auch beispielsweise eine Lötverbindung, eine Schweißverbindung, eine Klemmverbindung, eine Klebeverbindung oder eine Kombination daraus eingesetzt werden. Das erste Ende des Wärmeleitbands TS an der optischen Bank OB wird vorzugsweise über eine Lötverbindung, eine Klebeverbindung, eine Schweißverbindung oder eine Klemmverbindung befestigt.The optical bench OB shown is connected to the base elements PE in the housing LH via a screw connection. Alternatively, however, a soldered connection, a welded connection, a clamped connection, an adhesive connection or a combination thereof can also be used. The first end of the thermally conductive tape TS is preferably attached to the optical bench OB via a soldered connection, an adhesive connection, a welded connection or a clamped connection.
Zwischen dem zweiten Ende des Wärmeleitbandes TS und dem Sockelelement PE ist ein elektro-thermischer Wandler (Peltier-Element) TEC angeordnet. Anstatt des elektro-thermischen Wandlers TEC oder zusätzlich dazu kann zwischen dem zweiten Ende des Wärmeleitbandes TS und dem Sockelelement PE auch ein Widerstandheizer angeordnet werden. Ein zwischen dem zweiten Ende des Wärmeleitbandes TS und dem Sockelelement PE angeordneter elektro-thermischer Wandler TEC oder Widerstandheizer kann das zweiten Ende des Wärmeleitbandes TS an dessen Ober- und/oder Unterseite direkt oder über ein Wärmeleitpad TIM kontaktieren.An electro-thermal converter (Peltier element) TEC is arranged between the second end of the heat conducting strip TS and the base element PE. Instead of the electro-thermal converter TEC or in addition to it, a resistance heater can also be arranged between the second end of the heat conducting strip TS and the base element PE. An electro-thermal converter TEC or resistance heater arranged between the second end of the heat conducting strip TS and the base element PE can heat the second end of the Contact the top and/or bottom of the thermal conductive tape TS directly or via a thermal conductive pad TIM.
Insbesondere umfasst die gezeigte Vorrichtung sechs Schrauben aus rostfreiem Stahl SSS zur Befestigung in einem Gehäuse LH mit zwei Sockelelementen PE (das Gehäuse ist in der Darstellung nicht gezeigt), zwölf Unterlegscheiben aus rostfreiem Stahl SSW, sechs PEEK-Unterlegscheiben PW aus Polyetheretherketon (PEEK), eine optische Bank OB, vier Federelemente SE, zwei Klemmschienen CB (je eine Klemmschiene CB als Auflage für zwei benachbarte Federelemente SE), sechs Wärmeisolatoren TI aus Polyetheretherketon (PEEK), wärmeleitenden Klebstoff TCA, vier Thermobänder TS, thermische Wärmeleitpads TIM und vier elektro-thermischen Wandler TEC. Die Montage einer solchen beispielshaften bevorzugten Ausführungsform umfasst eine Kombination von Kleben, Pressen und Verschrauben zwischen der optischen Bank OB und dem Lasergehäuse LH.In particular, the device shown comprises six stainless steel screws SSS for fastening in a housing LH with two base elements PE (the housing is not shown in the illustration), twelve stainless steel washers SSW, six PEEK washers PW made of polyetheretherketone (PEEK), an optical bench OB, four spring elements SE, two clamping rails CB (one clamping rail CB each as a support for two adjacent spring elements SE), six heat insulators TI made of polyetheretherketone (PEEK), heat-conducting adhesive TCA, four thermal tapes TS, thermal heat-conducting pads TIM and four electro-thermal converters TEC. The assembly of such an exemplary preferred embodiment comprises a combination of gluing, pressing and screwing between the optical bench OB and the laser housing LH.
Die optische Bank OB besteht vorzugsweise aus einem für diese Zwecke neuen Material aus (reinem) Molybdän und einer (sauerstofffreien) Kupferlegierung (Mo70Cu30). Alternativ kann zur Herstellung der optische Bank OB auch ein keramisches Material wie z. B. Aluminiumnitrid oder ein anderes metallisches Material wie z. B. Kovar ® verwendet werden. Das bei Kürbis et al. verwendete keramische Material (Aluminiumnitrid) ist für die beschriebene Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Schraubverbindungen allerdings nicht geeignet, da es sich aufgrund seiner Festigkeit nicht für eine Verschraubung eignet. Eine Mo70Cu30-Legierung zur Ausbildung einer optischen Bank ist bisher im Stand der Technik nicht bekannt. Anstatt einer besonders bevorzugten Mo70Cu30-Legierung kann jedoch auch eine davon abweichende MoxCu100-x-Legierung mit x zwischen 50 und 90, bevorzugter zwischen 60 und 80 verwendet werden.The optical bench OB preferably consists of a material that is new for these purposes, made of (pure) molybdenum and an (oxygen-free) copper alloy (Mo 70 Cu 30 ). Alternatively, a ceramic material such as aluminum nitride or another metallic material such as Kovar ® can be used to manufacture the optical bench OB. The ceramic material (aluminum nitride) used by Kürbis et al. is not suitable for the described embodiment of the present invention with screw connections, however, since it is not suitable for screwing due to its strength. A Mo 70 Cu 30 alloy for forming an optical bench is not known in the prior art. Instead of a particularly preferred Mo 70 Cu 30 alloy, however, a different Mo x Cu 100-x alloy with x between 50 and 90, more preferably between 60 and 80, can also be used.
In der gezeigten Ausführungsform sind jeweils an den Ecken der rechteckig ausgebildeten optischen Bank OB vier in der Ebene der optischen Bank OB (d. h. gegen die Außenränder) sowie senkrecht dazu (d. h. bezüglich einer Verbiegung nach oben oder unten) wirkende Federelemente SE an den Außenrändern der optischen Bank OB angeordnet. Die vier Federelemente SE enthalten jeweils ein Schraubenloch. In den Schraublöchern befinden sich vier Edelstahlschrauben SSS, mit denen die optische Bank OB fest mit einem Sockelelement PE des Gehäuses LH verbunden werden kann. Die optische Bank OB wird dabei jedoch nicht direkt an den Sockelelementen PE des Gehäuses LH befestigt sondern über zwei Klemmschienen CB (parallel an zwei sich gegenüberliegenden Rändern der optischen Bank angeordnet) und vier darunter angeordnete Wärmeisolatoren TI. Die Klemmschienen CB, die ebenfalls aus Mo70Cu30 oder einer anderen dem Material der optischen Bank OB entsprechenden Legierung bestehen können, dienen zum Festklemmen aller thermisch-mechanischen Komponenten, wie z. B. der Wärmeisolatoren TI, der Wärmeleitbänder TS, den Wärmeleitpads TIM und der elektro-thermischen Wandler TEC. Jede Klemmleiste CB und jeder Wärmeisolator TI enthält ebenfalls entsprechend angeordnete Schraublöcher, um die Schraubverbindung zwischen einem Federelement SE und dem jeweils zugehörigen Sockelelement PE des Gehäuses LH zu ermöglichen.In the embodiment shown, four spring elements SE acting in the plane of the optical bench OB (i.e. against the outer edges) and perpendicular to this (i.e. with respect to bending upwards or downwards) are arranged on the outer edges of the optical bench OB at the corners of the rectangular optical bench OB. The four spring elements SE each contain a screw hole. In the screw holes there are four stainless steel screws SSS, with which the optical bench OB can be firmly connected to a base element PE of the housing LH. The optical bench OB is not, however, attached directly to the base elements PE of the housing LH, but via two clamping rails CB (arranged parallel on two opposite edges of the optical bench) and four heat insulators TI arranged underneath. The clamping rails CB, which can also be made of Mo 70 Cu 30 or another alloy corresponding to the material of the optical bench OB, are used to clamp all thermal-mechanical components, such as the heating elements. B. the thermal insulators TI, the thermal conduction strips TS, the thermal conduction pads TIM and the electro-thermal converters TEC. Each terminal block CB and each thermal insulator TI also contains appropriately arranged screw holes to enable the screw connection between a spring element SE and the corresponding base element PE of the housing LH.
Der mittlere Teil der optischen Bank OB, auf dem die optischen Komponenten angeordnet werden, ist im Inneren des Gehäuses LH an mechanischen Festkörpergelenkstrukturen aufgehängt und berührt nicht den Boden des Gehäuses LH. Die Festkörpergelenkstrukturen sind dabei so ausgerichtet und positioniert, dass sie eine isostatische Lagerung der optischen Bank OB relativ zum Gehäuse LH gewährleisten können. Die gezeigten flexiblen und mechanische Spannungen aufnehmenden Festkörpergelenkstrukturen können eine isostatische Lagerung insbesondere dann gewährleisten, wenn die Gelenke frei drehbar sind, sich frei in die vorgesehene Richtung biegen/verformen können und näherungsweise unendlich steif für jede andere Verformung sind. Mit Hilfe dieser isostatischen bzw. nahezu isostatischen Lagerung kann die Verformung der optischen Bank OB, die aus einer mechanischen Verformung des Gehäuses LH oder einer Verformung aufgrund einer thermischen bedingten Ausdehnung oder Kontraktion des Gehäuses LH oder der optischen Bank OB oder von beidem resultiert, im Vergleich zu bisherigen Lösungen im Stand der Technik deutlich reduziert werden.The middle part of the optical bench OB, on which the optical components are arranged, is suspended inside the housing LH on mechanical solid-state joint structures and does not touch the bottom of the housing LH. The solid-state joint structures are aligned and positioned in such a way that they can ensure isostatic support of the optical bench OB relative to the housing LH. The flexible and mechanical stress-absorbing solid-state joint structures shown can ensure isostatic support in particular when the joints are freely rotatable, can bend/deform freely in the intended direction and are approximately infinitely stiff for any other deformation. With the help of this isostatic or almost isostatic support, the deformation of the optical bench OB, which results from mechanical deformation of the housing LH or deformation due to thermally induced expansion or contraction of the housing LH or the optical bench OB or both, can be significantly reduced compared to previous solutions in the state of the art.
Die Edelstahlschrauben SSS (einschließlich der Edelstahlunterlegscheiben SSW) haben keinen direkten Kontakt mit der Oberfläche der optischen Bank OB, sondern diese sind über dazwischen liegende PEEK-Unterlegscheiben PW thermisch entkoppelt. Die PEEK-Unterlegscheiben PW werden verwendet, um eine direkte Wärmeübertragung zwischen dem Gehäuse LH und der optischen Bank OB entlang der Edelstahlschrauben SSS und Edelstahlunterlegscheiben SSW zu reduzieren. Darüber hinaus bieten die PEEK-Unterlegscheiben SSW eine hohe mechanische Festigkeit. Durch die Verwendung von Wärmeisolatoren TI wird ein direkter Wärmefluss zwischen dem Gehäuse LH und den Federelementen SE über die Befestigungsbereiche der Edelstahlschrauben SSS vermieden, während gleichzeitig ein vertikaler Raum für den mittleren Teil der optischen Bank OB bereitgestellt wird, um den Kontakt mit dem Boden des Gehäuses LH zu verhindern.The stainless steel screws SSS (including the stainless steel washers SSW) do not have direct contact with the surface of the optical bench OB, but are thermally decoupled via PEEK washers PW in between. The PEEK washers PW are used to reduce direct heat transfer between the housing LH and the optical bench OB along the stainless steel screws SSS and stainless steel washers SSW. In addition, the PEEK washers SSW provide high mechanical strength. By using thermal insulators TI, direct heat flow between the housing LH and the spring elements SE via the fastening areas of the stainless steel screws SSS is avoided, while at the same time a vertical space is provided for the middle part of the optical bench OB to prevent contact with the bottom of the housing LH.
Unter der optischen Bank OB sind vier Wärmeleitbänder TS angebracht. Von jedem der Wärmeleitbänder TS kann mit einem wärmeleitenden Klebstoff TCA ein erstes Ende an einem mittleren, unteren Teil der optischen Bank OB befestigt werden. Das zweite Ende kann ebenfalls mit einem wärmeleitenden Klebstoff TCA an einer Klemmschiene CB befestigt werden.Four thermally conductive strips TS are mounted beneath the optical bench OB. A first end of each of the thermally conductive strips TS can be attached to a central, lower part of the optical bench OB using a thermally conductive adhesive TCA. The second end can also be attached to a clamping rail CB using a thermally conductive adhesive TCA.
Vier elektro-thermische Wandler TEC sind unterhalb der zweiten Enden der Wärmeleitbänder TS angebracht und mit diesen über optional zwischenliegende Wärmeleitpads TIM an der Oberseite der TEC verbunden. Die Unterseite der elektro-thermischen Wandler TEC ist mit dem Boden des Gehäuses LH bzw. mit den darin angeordneten Sockelelementen PE verbunden, wobei eine Verbindung ebenfalls über optional zwischenliegende Wärmeleitpads TIM erfolgen kann. Die Wärmeleitbänder TS werden verwendet, um den Weg für die Wärmeübertragung von der optischen Bank OB zu den elektro-thermischen Wandlern TEC zu definieren, wobei über die Wärmeisolatoren TI ein thermischer Kurzschluss zwischen den mit den über die Federelementen SE abgestützten Rändern der optischen Bank OB und den entsprechenden Ecken des Gehäuses LH vermieden bzw. unterdrückt wird. Die Wärmeleitpads TIM werden vorzugsweise verwendet, um eine gute Wärmeleitfähigkeit zwischen den elektro-thermischen Wandlern TEC und dem Gehäuse LH sowie zwischen den elektro-thermischen Wandlern TEC und den Wärmeleitbändern TS zu gewährleisten.Four electro-thermal converters TEC are mounted below the second ends of the heat conducting strips TS and are connected to them via optional intermediate heat conducting pads TIM on the top of the TEC. The underside of the electro-thermal converters TEC is connected to the bottom of the housing LH or to the base elements PE arranged therein, whereby a connection can also be made via optional intermediate heat conducting pads TIM. The heat conducting strips TS are used to define the path for heat transfer from the optical bench OB to the electro-thermal converters TEC, whereby a thermal short circuit between the edges of the optical bench OB supported by the spring elements SE and the corresponding corners of the housing LH is avoided or suppressed via the heat insulators TI. The heat conducting pads TIM are preferably used to ensure good thermal conductivity between the electro-thermal converters TEC and the housing LH as well as between the electro-thermal converters TEC and the heat conducting strips TS.
Eine zusätzliche Kombination aus Modul-Abstandshalter MS und Montageplatte MP wie im Stand der Technik ist nicht erforderlich, da die elektro-thermischen Wandler TEC bei der gezeigten Ausführungsform der Erfindung innerhalb des Gehäuses LH angeordnet werden. Die Klemmschienen CB verteilen dabei die über die Edelstahlschrauben eingebrachten Kräfte gleichmäßig auf die Baugruppe bestehend aus den elektro-thermischen Wandlern TEC, den Wärmeleitbändern TS und den Wärmeleitpads TIM und fixieren diese fest zueinander im Bauraum des Gehäuses LH.An additional combination of module spacer MS and mounting plate MP as in the prior art is not required, since the electro-thermal converters TEC are arranged inside the housing LH in the embodiment of the invention shown. The clamping rails CB distribute the forces introduced via the stainless steel screws evenly across the assembly consisting of the electro-thermal converters TEC, the thermally conductive strips TS and the thermally conductive pads TIM and fix them firmly to one another in the installation space of the housing LH.
Außerdem können wie in der Darstellung gezeigt über zusätzliche Schraublöcher in den Klemmschienen CB zwei zusätzliche Sätze von Edelstahlschrauben SSS und Edelstahlunterlegscheiben SSW, PEEK-Unterlegscheiben PW und Wärmeisolatoren in der Mitte der beiden Klemmschienen CB verwendet werden. Damit kann eine ungleichmäßige Kompression der Klemmschienen auf die darunter liegenden Komponenten vermieden werden, welche ein Verbiegen und eine große horizontale Verschiebung (bei Schock und Vibration) der TEC, Thermobänder TS und Wärmeisolatoren TIM verursachen kann.In addition, as shown in the diagram, two additional sets of stainless steel screws SSS and stainless steel washers SSW, PEEK washers PW and thermal insulators can be used in the middle of the two clamping bars CB through additional screw holes in the clamping bars CB. This can prevent uneven compression of the clamping bars onto the underlying components, which can cause bending and large horizontal displacement (under shock and vibration) of the TEC, thermal tapes TS and thermal insulators TIM.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- MSMS
- Modul-Abstandshalter (engl. „module spacer“)Module spacer
- MPMP
- Montageplatte (engl. „mounting plate“)Mounting plate
- TIMTIM
- Wärmeleitpad (engl. „thermal interface material“)Thermal interface material
- TECTEC
- elektro-thermischer Wandler / Peltier-Element (engl. „thermo-electric cooler“)electro-thermal converter / Peltier element (thermo-electric cooler)
- LHLH
- (Laser-)Gehäuse (engl. „laser housing“)(Laser) housing
- TCATCA
- wärmeleitender Klebstoff (engl. „thermally conductive adhesive“)thermally conductive adhesive
- OBIF
- optische Bank (engl. „optical bench“)optical bench
- TSTS
- Wärmeleitband (engl. „thermal strap“)Thermal strap
- TITI
- Wärmeisolator (engl. „thermal isolator“)Heat insulator (English “thermal isolator”)
- CBCB
- Klemmschiene (engl. „clamping bar“)Clamping bar
- SSSSSS
- Edelstahlschraube (engl. „stainless-steel screw“)Stainless steel screw
- SSWSSW
- Edelstahlunterlegscheibe (engl. „stainless-steel washer“)Stainless steel washer
- PWPW
- PEEK-Unterlegscheibe (engl. „PEEK washer“)PEEK washer
- PEP.E.
- Sockelelement (engl. „pedestal element“)Pedestal element
- SESE
- Federelement (engl. „spring element“)Spring element
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