激光发射器组件以及激光雷达系统的制作方法

1.本发明涉及一种激光发射器组件以及一种具有这类激光发射器组件的激光雷达系统，所述激光发射器组件具有激光发射器和用于激光发射器的支座，其中，支座具有多个层，其中，激光发射器组件与激光雷达系统的电流供给部在运行方面连接。


背景技术：

2.典型地，具有高的损耗功率的激光发射器需要特别的措施，所述特别的措施防止激光部件过热。
3.现有技术是，激光温度的调节可以借助于珀尔帖元件实现。在非常高的环境温度(也称作高温情形)下，珀尔帖元件使用于冷却激光发射器。在非常低的温度(也称作低温情形)下，珀尔帖元件有助于，通过附加的加热功率使激光发射器达到运行温度。因此，珀尔帖元件在激光调温的框架下构成用于在加热和冷却之间切换的热开关。
4.在高温情形下，珀尔帖元件的进行冷却表面需要尽可能均匀的温度分布。通常，为此目的，将散热器放置在激光陶瓷(所述激光陶瓷可以构造为激光陶瓷层)和珀尔帖元件之间。散热器使用于，将来自激光衬底边沿的热横向地在整个全等的珀尔帖表面上散开并且确保在珀尔帖元件的冷的侧上足够均匀的温度分布。如果不能实现这种均匀的温度分布，则珀尔帖元件的功率损耗成指数地增加并且给热管理的调节持久地造成困难。
5.在低温情形下，珀尔帖元件的进行加热的表面需要到激光发射器的尽可能短的热传导路径。在这里，对于高温情况所需要的散热片构成附加的和不必要的热阻抗。
6.de 3431738 a1公开了一种用于冷却用于至少一个结构元件、例如激光二极管的支座的装置。该文章以在这样的结构元件中的热流和对帕尔贴元件的需求为主题，其中，应降低帕尔贴元件的功率需求。
7.从de 19823691 a1已知一种用于激光模块的壳体组件。为了降低热影响，提出，用差地导热的塑料将壳体组件泡在泡沫中或者也对其进行注塑包覆，由此也可以使珀尔帖冷却器绝热。
8.de 6736015 t2说明了一种用于输出激光束的半导体激光器模块，其中，在珀尔帖元件和半导体激光器之间可以布置有冷却体，以便进一步抑制半导体激光器的温度改变。
9.在de 10 2005 036 099 a1中公开了一种用于对在印刷版曝光机中的激光器模块进行调温的装置。提到这样的问题：为了冷却激光二极管，应设置冷却装置，但是由结构型式决定地，没有足够的空间放置珀尔帖元件。因此，提出，借助于连接通过热传导使珀尔帖元件外部化。
10.从de 10 2013 216869 a1已知一种用于机动车的激光前照灯的冷却装置。在那里公开的想法是，将如例如珀尔帖元件或者冷却风扇这样的有源的冷却系统由无源的冷却装置代替，因此，在前照灯上设置一个或者多个无源的空气导向装置(即，没有风扇)。
11.de 203 16 550 u1说明了一种激光元件，在该激光元件中，激光活性的介质与由金刚石薄片制成的两个部件三明治式地连接。借助于这种金刚石冷却可以在没有珀尔帖元
件的情况下将废热从激光活性的介质中导出。
12.de 10 2004 052 094 a1公开了一种激光元件，在该激光元件中，激光活性的介质通常嵌入到导热的晶体材料中，因此，该公开文献与所属的、以上已经提到的内部的优先权文件de 203 16 550 u1是同类的。
13.最后，从de 10 2007 041 896 a1已知一种半导体结构元件，该半导体结构元件设置用于发射电磁辐射。设置一个或者多个冷却层，所述一个或者多个冷却层可以部分地透明地实施。因此，提供一种由金属的或者陶瓷材料制成的分两部分的冷却层。冷却层可以与散热器热连接。冷却层可以具有至少部分地用冷却液填充的空腔。


技术实现要素：

14.根据本发明，提供一种激光发射器组件，在所述激光发射器组件中，这些层中的一个层是热机械门，该热机械门设置为用于，对激光发射器进行热调节。
15.根据本发明的激光发射器组件具有这样的优点：在热力学方面优化激光发射器所必需的冷却阶段和加热阶段并且使其适配于对应的应用情况。热机械门通过阻止或者允许热流动来替代珀尔帖元件的功能：冷却和加热。由此，显著地降低或者甚至完全避免珀尔帖元件的使用。这导致整个系统中的损耗功率较低并且由此显著地简化热管理。
16.优选地，热机械门在高温状况下打开并且在低温状况下关闭。热机械门的任务在高温状况下、也就是在激光发射器的冷却需求强的情况下可以是：实现激光发射器所需要的热导出。这可以意味着，所需要的热路径仅打开像它被需要的程度那么宽。因此，优选地设置，在高温状况下，热机械门至少部分地打开，特别优选完全地打开。在低温状况下，也就是加热激光发射器时，优选应防止激光发射器的热导出，使得该激光发射器可以通过自加热独立地加热到所需要的运行温度并且优选绝对没有寄生热流动在邻接构件上出现。因此，优选设置，在低温状况下，热机械门至少部分地关闭，特别优选完全关闭。
17.优选的是，热机械门具有两个门平面，所述两个门平面相对彼此可移动，以便打开或者关闭热机械门。热机械门优选由两个部分组成：上门平面和与上门平面相同但是错开的下门平面。优选的是，两个门平面由相同材料组成，以便在打开状态下，也就是在上门平面和下门平面之间存在接触时实现尽可能均匀的热流。此外，在使用相同材料的情况下，可以避免可能的电化学腐蚀。优选地，在每个门平面内设置中断，其中，这些中断在运行状态中基本上面向与另一门平面邻接的材料。
18.优选的是，在门的打开状态中，两个门平面之间的中间空间被关闭，并且两个门平面的材料区段地横向地重叠。优选地，在门的关闭状态下，中间空间被打开。在低温状况下，激光发射器应尽可能通过其自加热达到必需的运行温度。因此，由该激光发射器所产生的固有热不应放出给邻接的构件。因此，优选的是，如以上所实施地，热机械门在低温状况下关闭。因此，在低温情况下，优选地在热机械门的上门平面和下门平面之间不存在热机械式接触。在高温状况下，激光发射器的损耗功率应尽可能有效地从激光发射器上导开。为此有利的是，热机械门的上门平面和下门平面在高温状况下尽可能大面积地并且固定地处于相互触碰式的接触中。因此，在高温状况下，在热机械门的上门平面和下门平面之间优选存在热机械式接触。因此，热机械门优选地打开(两个门平面的接触面的大小)与对于高温状况所需要的程度一样宽。第一门平面与第二门平面所具有的接触面越大，则热机械门打开得
越宽。在接触面最大的情况下，热机械门优选完全地打开。在接触面最小的情况下，热机械门优选尽可能宽地关闭。如果在第一门平面和第二门平面之间不存在接触面，则热机械门优选完全地关闭。
19.在一些实施方式中，设置，热机械门设置为用于，通过两个门平面的横向的收缩和膨胀来打开和关闭。热机械门的打开和关闭的实现优选通过上门平面和下门平面在周围环境温度改变时、即根据周围环境温度的膨胀和收缩实现。在低温状况下，优选松开两个门平面之间的接触。则在上门平面和下门平面之间的热传递不能实现，也就是说，热机械门关闭。在高温状况下，该热机械门相反地表现。也就是说，由于外部温度较高，两个门平面优选横向地、垂直于这些层的堆叠方向地膨胀，并且形成热机械式接触。因此，在该接触部位上存在从热源、即激光发射器到散热层(也称为散热器，heat sink)的直接热传递。因此，在高温情况下，热机械门优选如已经提到地至少部分地打开。
20.在一些实施方式中，两个门平面中的至少一个门平面具有相变材料。在两个侧面接触时，可能发生上门平面和下门平面的翘曲。为了避免这一点，可以在两个门平面中的一个门平面上或者也可以在两个门平面上嵌入相变材料(pcm；英语phase change material)。相变材料是潜热蓄热器。
21.有些实施方式设置，相变材料布置在两个门平面之间。则相变材料可以通过熔化材料来使上门平面和下门平面之间的最小不平坦变得平整，尤其是改进两个门平面之间的表面接触并且优选地提高热交换。因此，pcm优选地用于，使热机械门状态之间从打开到关闭和相反的过渡变得平滑。
22.优选地，热机械门布置在激光陶瓷层和散热层之间。热机械门可以不但代替帕尔贴元件而且代替与帕尔贴相关的散热器。由此，整个激光发射器装置的结构减少了一层。一方面，通过对热机械门的热机械式优化继续提供所需要的冷却功能和加热功能。另一方面，避免珀尔帖元件的大缺点，即高附加损耗功率和附加控制装置，并且因此使整体结构持续地明显地简化。激光发射器优选直接布置在激光陶瓷层上。激光陶瓷层优选由al2o3或aln组成。
23.在一些优选实施方式中，在热机械门和散热层之间布置有加热元件。加热元件优选布置在加热元件层中。可能的是，在低温状况下，激光器的自加热不足以迅速地达到运行温度。为了确保可能缺乏的惯性加热功率，可以将加热元件连接在热门的下侧和散热层之间。由于附加的功率损失，下门平面比上门平面更强烈地伸展。在两个门平面之间的接触被关闭，并且发生从下门平面到上门平面的附加热流。然后，热流动被传递到激光发射器上。如果激光发射器达到其运行温度，则附加的加热元件关断，下门平面又收缩，并且热机械门又关闭。
24.在有些实施方式中，在热机械门和散热层之间布置有珀尔帖元件。珀尔帖元件优选布置在加热元件层中。如果不但在低温状况下需要另外的加热功率并且在高温状况下需要附加的冷却功率，则又可以设置珀尔帖元件来代替附加的加热元件。但是，帕尔贴元件的附加损耗功率通过与热机械门的组合而显著地降低并因而简化对热管理的处置。
25.优选的是，激光发射器组件实施为激光模块。因此，激光发射器组件尤其是在激光雷达系统中可以紧凑地重新安装或者被替换。从激光发射器出发考察，支座优选具有激光陶瓷层、热机械门和散热层作为功能层。激光陶瓷层优选借助于第一粘合层与上门平面连
接。散热层优选借助于第二粘合层与下门平面连接。在一些实施方式中，在散热层和热机械门之间可以设置有加热元件层。优选地，加热元件层与散热层和下门平面粘接式地连接。如果来自于支座的对激光发射器的附加的加热或者冷却是期望的，则加热元件层尤其可以具有加热元件或者珀尔帖元件。优选地，热机械门由一种材料构成，该材料以必要的层形状具有足够的横向热膨胀，以便确保两个门元件的与温度相关的重叠和间隔。这样的材料是本领域技术人员已知的。
26.根据本发明，进一步提供开头所提及类型的激光雷达系统，在所述激光雷达系统中，激光发射器组件的层中的一个层是热机械门，该热机械门设置为用于，对激光发射器进行热调节。
27.根据本发明的激光雷达系统具有这样的优点：对激光发射器所需要的冷却阶段和加热阶段进行热力学优化并且使其适配于对应的应用情况。热机械门通过阻止或者允许热流动来替代珀尔帖元件的功能：冷却和加热。由此，明显地减少或者甚至完全地避免珀尔帖元件的使用。这引起整体系统的低损耗功率并且由此显著地简化热管理。
28.对于激光雷达系统，产生相同的可能的实施方式和与之相关联的优点，所述优点在上面已经在激光发射器组件方面说明并且在这里参考所述优点。因此，在这种情况下省去重复。
29.本发明尤其可以与使用激光发射器的所有构件/传感器相关联地使用，尤其是使用在宏观扫描仪激光雷达系统中和例如使用在汽车激光雷达平台开发中。
30.本发明的有利的拓展方案在从属权利要求中给出并且在说明书中说明。
附图说明
31.根据附图和随后的说明更详尽地解释本发明的实施例。附图示出：
32.图1示出激光发射器组件的第一实施方式，所述激光发射器组件具有加热元件，
33.图2示出图1中的实施方式中的关闭的热机械门的细节图，
34.图3示出图1中的实施方式中的打开的热机械门的细节图，和
35.图4示出本发明的第二实施方式，该第二实施方式具有帕尔贴元件。
具体实施方式
36.在图1中示出激光发射器组件1的第一实施例。激光发射器组件1是未进一步示出的激光雷达系统的一部分，激光发射器组件1与该激光雷达系统的电流供给部在运行方面连接。
37.激光发射器装置1具有激光发射器2。激光发射器2与激光雷达系统的电流供给部在运行方面连接。此外，激光发射器组件1具有用于激光发射器2的支座3。支座3具有多个层4，5，6，7，8a-c。这些层4，5，6，7，8a-c彼此堆叠。从激光发射器2开始，它们按下降顺序是：由al2o3构成的激光陶瓷层4、设置为用于对激光发射器2进行热调节的热机械门5、加热元件层6和散热层7。即，热机械门5布置在激光陶瓷层4和散热层7之间。在所提到的功能层之间布置粘合层8a-c。第一粘合层8a使激光陶瓷层4与热机械门5连接。第二粘合层8b使热机械门5与加热元件层6连接。第三粘合层8c使热机械门5与散热层7连接。激光发射器2直接布置在激光陶瓷层4上，使得支座3借助于激光陶瓷层4承载激光发射器2。
38.热机械门5在高温状况下打开并且在低温状况下关闭。因此，热量可以在低温状况下积累在激光发射器2中并且在高温状况下从激光发射器2穿过热机械门5被导出到散热层7。
39.图2和3详细地示出热机械门5。在图2中，热机械门5关闭。在图3中，热机械门5打开。热机械门5具有两个门平面9a，9b，所述两个门平面可相对彼此移位，以便打开或者关闭热机械门5，即，上门平面9a和下门平面9b。如在图2和图3中能看出，下门平面9b在该实施方式中具有相变材料10，该相变材料布置在两个门平面9a，9b之间。相变材料10防止两个门平面9a，9b在热机械门5打开和关闭时被卡住。在图2中，在上门平面9a和下门平面9b之间不存在接触。因此，热机械门5关闭并且不能实现激光发射器2和散热层7之间的热传递。在图3中，在上门平面9a和下门平面9b之间存在接触。因此，热机械门5打开并且能够实现激光发射器2和散热层7之间的热传递。
40.热机械门5设置为用于，通过两个门平面9a，9b的横向的收缩和膨胀而打开和关闭。在图2中的低温状况和图3中的高温状况之间的过渡在预给定的温度范围中逐渐地进行。如果该温度范围内的周围环境温度随时间下降，则上门平面9a和下门平面9b横向地、即垂直于堆叠方向地收缩，并且最终不发生接触(低温状况，图2)。如果该温度范围内的周围环境温度随时间升高，则上门平面9a和下门平面9b横向地膨胀并且最终横向地重叠地发生接触(高温状况，图3)。应注意，热机械门5在关闭状态下具有中间空间11，如在图2中所示出那样。则不能进行穿过热机械门5的热传递。而在热机械门5的打开状态下，中间空间11关闭并且上门平面9a和下门平面9b区段地重叠。则能进行穿过热机械门5的热传递。即，当能穿过该热机械门进行热传递，即两个门平面9a，9b区段地重叠时，热机械门5打开，并且当不能穿过该热机械门进行热传递，即两个门平面9a，9b通过中间空间11相互间隔开时，该热机械门关闭。
41.在图1中的第一实施例中，在热机械门5和散热层7之间在加热元件层6中布置有加热元件。该加热元件用于，在激光发射器2通过由其自身产生的余热不能达到该激光发射器的运行温度的情况下，附加地加热该激光发射器。在此，加热元件在运行时在需要时首先对下门平面9b产生影响，以便打开热电门5。接下来，加热元件可以使其余热穿过热电门5传递给激光发射器2，以便附加地加热激光发射器2。
42.在图4中的第二实施例中，在加热元件层6中的加热元件由珀尔帖元件代替。即，珀尔帖元件在那里示例性地布置在热机械门5和散热层7之间。珀尔帖元件设置为用于，不仅视状况而定地加热下门平面9b，而且在需要时也冷却该下门平面。在第二实施例中，激光陶瓷层4与第一实施例有偏差地由ain构成。在其他方面，图4中的第二实施例相当于图1中的第一实施例。
43.在未示出的实施方式中，激光发射器组件2不具有加热元件层6。则热弹性门5、尤其是下门平面9b优选通过第二粘合层8b直接与散热层7连接。
44.概括地，所说明的热机械门5相对于到目前为止的用于热调节的解决方案具有更小的复杂性，成本更低，为了该热机械门的运行不需要控制装置，该热机械门需要更少的部件，尤其是不需要散热器，不需要控制装置，不需要电子装置，不需要对构件的认证并且该热机械门更耐用。