專利名稱：有機垂直腔激光器及成像系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體來講涉及一種電子顯示和打印系統(tǒng)，尤其涉及一種使用有機激光器光源的電子顯示和打印系統(tǒng)。
背景技術：
已經開發(fā)了基于激光器的電子成像系統(tǒng)用于投影顯示，并更廣泛地用于打印用途。特別是，已經開發(fā)了具有幾個基本結構的激光投影顯示系統(tǒng)，它們包括向量掃描、光柵掃描、一維(1-D)掃描、和二維(2-D)區(qū)域成像系統(tǒng)。一般來說希望多彩顯示的激光投影系統(tǒng)的發(fā)展總體上已經受到有效可見波長激光器的最小可用性的限制。另一方面，已經廣泛開發(fā)了基于激光器的打印系統(tǒng)，其使用了所有這些相同的結構，向量掃描可能有例外。結果，通過在激光投影方面的努力，已經非常詳細開發(fā)出了適用于激光投影的許多激光光束整形和激光光束調制技術及其變形。但是，值得注意的是，在現(xiàn)有技術中大多數(shù)上述激光打印系統(tǒng)是單色的，并使用紅外激光器，而不是激光投影需求的多個可見光譜的激光器。
在通常的激光打印機中，使來自激光器的輻射整形，并且在膠片平面上成像，以產生所需的光點尺寸。該光點稱作像素，是形成圖像的最小圖像單元。調制激光輻射以便逐個像素地產生每個光點的正確密度。以行方向掃描激光光點，且以頁面掃描方向移動介質，從而產生二維圖像。在使用連續(xù)波形氣體或者固體激光器的打印系統(tǒng)中，經常使用諸如聲光器件的外部調制器將圖像數(shù)據輸入到光束中。但是，在使用半導體二極管激光器的系統(tǒng)中，一般通過改變激光器的電流輸入直接調制激光輻射。對于使用諸如鹵化銀膠片的高光敏性介質的打印機，通過使用多面鏡或者電流計在行方向掃描激光束來獲得高打印輸出。這些打印機被稱作“飛點”打印機。
通過比較，當打印介質(如大多數(shù)熱介質)具有低光敏度時，典型的激光打印機使用高功率激光光源和慢的行和頁面掃描速度，來適應高曝光的需要。達到這種掃描類型的一種方式是將打印機構成如“車床”的結構，其頁面掃描由支撐膠片的鼓的旋轉獲得，行掃描通過以平行于鼓的旋轉軸的方向平移激光器獲得。為了以較低成本小型化地達到高光功率輸出，已采用了向靶平面直接提供多個記錄光點的技術。
在系統(tǒng)中已構成使用一個激光器作為光源的多點打印機，其中光照射線性空間光調制器陣列，該陣列依次在靶平面上成像。示范性的系統(tǒng)在幾個現(xiàn)有專利中描述，包括Sprague的美國專利4,389,659，Yip的美國專利4,591,260，和Tanuira的美國專利4,960,320。但是，在許多打印用途中使用典型的高功率單束激光器太大并且昂貴。而且，這種系統(tǒng)對激光光源的潛在故障是敏感的。
另一方法，直接在光敏介質上使激光光源的單片陣列成像，以產生多個光點。激光陣列每一元件的功率被單獨調制，以獲得像素密度。這種系統(tǒng)，如美國專利4,804,975所述，具有潛在的低成本和高光效率。另一方面，這種類型的系統(tǒng)易受發(fā)射器故障的影響，并隨之帶來圖像誤差。由于二極管需要高輸入電流以及對于激光發(fā)射器之間的熱與電的串擾影響敏感，正確地調制二極管也是困難的。
作為一種混合的方法，用線性二極管激光器陣列作為沒有直接尋址的光源，接著組合來自眾多發(fā)射器的激光光束，以泛光照射線性空間光調制器陣列。在許多這種系統(tǒng)中，激光發(fā)射器在交叉的陣列方向提供單模高斯光發(fā)射，且在陣列方向提供空間多模發(fā)射。一個典型的發(fā)射器在陣列方向上的長度可以是～100μm，在交叉的陣列方向上的寬度只為～3μm。調制器陣列的尋址像素將光拆散成圖像單元，且調制器的每個像素接著被成像到介質平面上，以形成所需的打印點陣列。Thornton等人的美國專利US4,786,918，Gelbart的美國專利US5,517,359，和Sarraf的美國專利US5,521,748的現(xiàn)有技術描述了利用這種方法的打印系統(tǒng)。多種線性空間光調制器適合于應用在這種系統(tǒng)中，包括Sprague的美國專利US4,281,904的“TIR”調制器，Bloom等人的美國專利US5,311,360的光柵光閾(GLV)調制器，Ramanujan等人的美國專利US6,084,626的電光光柵調制器，和Kowarz的美國專利US6,307,663的保形光柵調制器。當然還已經開發(fā)了大量的其它調制器陣列技術，包括最顯著的數(shù)字反射鏡器件(DMD)和液晶顯示器(LCDs)，但這些器件作為線性陣列調制器不是最佳的，因為線性陣列調制器要經歷許多打印和顯示用途中所需的高輸入功率電平。
在這種系統(tǒng)中，重要的是提供到調制器平面的照射要盡可能均勻。首先，如果所發(fā)射的光束從一個發(fā)射器到下一個發(fā)射器是空間地且暫時地相干，則在調制器上重疊的照射可能受到干涉條紋變化的影響。即使激光器陣列由長的1-D多模發(fā)射器組成，激光器成絲作用、剩余相干和非均勻增益輪廓也會在陣列方向光發(fā)射輪廓上引起明顯的宏觀和微觀的非均勻性，這會導致調制器照射是顯著非均勻的。各種方法已經考慮到了這些問題。
作為一個示例，美國專利US4,786,918提供了一種激光二極管陣列，其中單模激光發(fā)射器被交替分布在兩行中，以使發(fā)射器被分開且相互不相干。所發(fā)射的光繼而在遠場重疊，無需光均勻光學元件的協(xié)助，基本上提供無干擾的高斯光輪廓。
相反，現(xiàn)有技術美國專利5,517,359和5,521,748都利用了由大面積發(fā)射器組成的線性激光二極管陣列。在這些系統(tǒng)中使用的這些高功率激光器陣列一般發(fā)射20-30瓦的近紅外光，波長在810-950nm范圍內，發(fā)射帶寬為3-4nm。在這兩種系統(tǒng)中，借助于微透鏡陣列，以重疊的方式將激光發(fā)射器以高放大率直接成像在調制器陣列上。當這些發(fā)射器的每一個的陣列方向光發(fā)射輪廓在發(fā)射器的邊緣受到光衰減的影響時，美國專利5,517,359的系統(tǒng)提供了反射鏡系統(tǒng)通過基本上去除大的非均勻性而部分地補償這些問題，但是由于增加了調制器上照射的角展度，所以降低了亮度。美國專利5,517,359的方法也僅僅在發(fā)射元件上的光輪廓已具有基本上均勻的大面積時才有效。
已經公開了多種系統(tǒng)，改進從激光器陣列提供給空間光調制器陣列的照射均勻性。特別是，Kurtz等人的美國專利5,923,475描述了使用蠅眼積分器均勻化入射到調制器陣列的陣列方向照射的系統(tǒng)。類似地，Moulin的美國專利6,137,631利用積分棒使光均勻。
由于這些激光二極管陣列也典型地受“激光微笑(laser smile)”的影響，“激光微笑”是共線發(fā)射器位置的交叉陣列偏移(一般的總偏移為10μm或更少)，因此已開發(fā)了交叉陣列光學裝置來校正這些問題。各種“微笑”校正方法在Kessler等人的美國專利5,854,651，Gelbart的美國專利5,861,992和Blanding的美國專利6,166,759的現(xiàn)有技術中描述。激光二極管陣列棒也已經在交叉的陣列方向上層疊，其具有在靶平面上增加可用入射光的目的。為層疊激光器陣列設計的示范性激光光束整形光學裝置在現(xiàn)有技術Hwu的美國專利6,215,598和Lang等人的美國專利6,240,116中描述。
已開發(fā)了具有彩色激光器或者紅外激光器和偽彩色介質的多種彩色激光打印機，通常，對于彩色激光打印機來說大多數(shù)完全開發(fā)的結構是在飛點打印機中利用相互對準的光束。示范性的現(xiàn)有專利包括Kessler等人的美國專利4,728,965和Kessler等人的美國專利4,982,206。
可是，在顯示器和打印機用途中使用的可見彩色激光系統(tǒng)，未充分利用具有激光二極管陣列泛光照射空間光調制器陣列這一非常有效的結構，該結構帶有或者不帶插入的光均勻化光學裝置。在Bloom等人的美國專利5,982,553中描述的系統(tǒng)利用了固態(tài)激光器(紅、綠和藍)來照射空間光調制器陣列，該陣列在屏幕上翻轉成像和掃描。與同樣的激光打印機系統(tǒng)相比，美國專利5,982,553系統(tǒng)依賴單一激光光源(對于每一色彩)，因此對于激光光源的故障是敏感的。
在Gibeau等人的美國專利5,614,961和Hargis等人的美國專利5,990,983的現(xiàn)有技術中，在屏幕上直接調制和掃描彩色激光器陣列。因此，這些系統(tǒng)沒有利用泛光照射空間光調制器陣列的系統(tǒng)結構，因此，該系統(tǒng)缺乏激光器的冗余，它們也對激光二極管的故障敏感。另外，由美國專利5,614,961和5,990,983描述的彩色激光器陣列在制造上非常昂貴和困難。因為激光器陣列依賴不能直接發(fā)射藍光(440-470nm)和綠光(520-550nm)光譜區(qū)域內的光的無機半導體或者固態(tài)激光介質，所以需要非線性光學設備以倍頻光發(fā)射來獲得所需波長。在不久的將來，直接發(fā)射藍光和綠光光譜區(qū)域內的足夠功率的基于氮化物的可靠激光器系統(tǒng)似乎是不可用的。目前，非線性光學設備增加了激光器陣列的成本和復雜性，并且還降低了激光器系統(tǒng)的效率。另外，美國專利5,614,961和5,990,983中直接調制激光器陣列的要求使在激光器陣列中包括每一發(fā)射器的外調制元件成為必須，以避免半導體激光器系統(tǒng)的啁啾或者由于固態(tài)激光器系統(tǒng)的長高能態(tài)壽命導致的限制。
因此，可以看到，使用將激光二極管陣列與泛光照射的空間光調制器陣列組合的光學系統(tǒng)結構的激光投影顯示系統(tǒng)是有利的。而且，可以看到，改進的、耐用的、低成本的彩色激光二極管陣列與現(xiàn)存的彩色激光器陣列相比是有利的，反過來將更加有利于相同的光學系統(tǒng)結構。
一項新的激光器技術是有機垂直腔激光器，該技術特別有利于提供可見波長的激光器陣列，該激光器可用于投影和顯示。
基于無機半導體(例如AlGaAs)的垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)比該新的、基于有機的激光器更公知。自從80年代中期(“CircularBuried Heterostructure(CBH)GaAlAs/GaAs Surface EmittingLasers”by K.Kinoshita et al.，IEEE J.Qusnt.Electron.QE-23，pp.882-888(1987))已經開發(fā)無機VCSEL，他們已經達到由許多公司制造發(fā)射850nm的基于AlGaAs的VCSEL且其壽命超過100年的程度。隨著這些近紅外激光器的成功，近年來的注意力已經轉到使用無機材料系統(tǒng)來生產發(fā)射可見光波長范圍的光的VCSEL，但是，盡管是全世界的巨大努力，要想制造出橫跨可見光譜的可見無機激光二極管仍需很多工作。
在努力生產可見波長的VCSEL時，有利的是要放棄基于無機的系統(tǒng)，而將注意力集中于基于有機的激光器系統(tǒng)，因為在可見光譜中基于有機的增益材料與基于無機的增益材料相比具有許多優(yōu)點。例如，典型的基于有機的增益材料具有低的未泵浦散射/吸收損耗和高的量子效率的性質。與無機激光器系統(tǒng)比較，有機激光器制造相對便宜，能夠制造出發(fā)射覆蓋整個可見光范圍的有機激光器，能夠標定任意尺寸的有機激光器，并且，非常重要的是，有機激光器能夠從一個芯片中發(fā)射多個波長(如紅、綠和藍)的光束。
給出這種可能，增加了制造基于有機的固態(tài)激光器的興趣。在今天的努力中，激光增益材料是聚合物或者是小分子，以及這些材料在各種諧振腔結構中使用。所用的示范性的腔結構包括微腔結構(Kozlov等人的美國專利6,160,828)、波導結構、環(huán)形微激光器和分布式反饋結構(Diaz-Garcia等人的美國專利5,881,083)。值得注意的是，所有這些新器件都使用了激光泵浦源，以激勵有機激光腔。當激光腔更緊湊和更容易調制時，電泵浦通常是優(yōu)選的。
實現(xiàn)電泵浦的有機激光器的主要障礙是有機材料的小的載流子遷移率，典型的大約是10-5cm2/(V-s)的量級。這種低的載流子遷移率導致了許多問題。低裁流子遷移率的器件一般限制為使用薄層，以便避免大的電壓降和電阻熱。這些薄層導致激光模式穿透有損耗的陰極和陽極，從而使激光閩值大幅度增加(“Study of lasing action basedon Frster energy transfer in optically pumped organicsemiconductor thin films”by V.G.Kozlov et al.，J.Appl.Phys.84，pp/4096-4106(1998))。由于在有機材料中電子-空穴復合受到Langevin復合控制(Langevin復合速率隨載流子遷移率成比例變化)，因此，低載流子遷移率導致載荷子的數(shù)量級比單激子多。一種后果是電荷引起(極化子)的吸收可成為損耗嚴重的機構。假設激光器件具有5％的內量子效率，而使用迄今為止據報導最低的～100W/cm2激光閾值(“Light amplification in organic thin films usingcascade energy transfer”by M.Berggren etal.，Nature389，pp.466-469(1997))，且上述損耗機構忽略不計，那么對僅1000A/cm2的電泵浦激光閾值施加了較低的限制。包括這些損耗機構將使激光閾值遠遠超過1000A/cm2，它是迄今為止據報告最高的電流密度，這能夠得到有機器件的支持(“High Peak BrightnessPolymer Light-Emitting Diodes”byN.Tessler，Adv.Mater.19，pp.64-69(1998))。
一種避免影響有機激光器件電泵浦問題的方式是使用結晶的有機材料代替非晶的有機材料，作為激光介質.例如，包括單晶丙四苯增益材料的厚層和Fabry-Perot諧振腔的有機激光器已證明室溫激光閾值電流密度約為1500A/cm2。
可是，優(yōu)選的是制造具有非晶層代替結晶層(無機或者有機材料)的基于有機的激光器，因此顯著降低制造成本。另外，與生產大面積單晶材料的激光器相比，能夠更容易地制造大面積的非晶有機激光器。另外，因為它們的非晶屬性，基于有機的激光器能夠在多種襯底上生長；因而，諸如玻璃、柔性塑料、和硅(Si)之類的材料可以支持這些器件?？傊?，非晶有機激光器具有在任意尺寸(導致較大輸出功率)和任意形狀上可伸縮的潛在能力。
非晶有機激光器的光泵浦的顯著進步是激光器結構不再受電泵浦時存在的問題的影響。有機激光器不但能夠由外部的激光光源泵浦，而且能夠由諸如發(fā)光二極管(LED)和燈的非相干光源泵浦。例如，已經描述了使用有機DFB激光器與無機LED(“Semiconductor polymerdistributed feedback lasers”by M.D.McGehee et al.Appl.Phys.Lett.72，pp.1536-1538(1998))相結合或者使用有機波導激光器與有機LED(Berggren等人的美國專利5,881,089)相結合。特別是當利用大量摻雜劑的結合作為有源介質時，激光波長的散射和吸收損耗(～0.5cm-1)大大降低能夠實現(xiàn)有機激光器系統(tǒng)的光泵浦。即使具有這些小損耗的優(yōu)點，在使用波導激光器設計的器件中(“Lightamplification in organic thin films cascade energy transfer”by M.Berggren et al.，Nature 389，pp.466-469(1997))，對于有機激光器迄今為止據報告最低的激光閾值是100W/cm2。由于現(xiàn)有的無機LED僅能夠提供高于～20W/cm2的功率密度，所以需要不同的器件結構來達到利用不相干光源的光泵浦，尤其是利用LED的泵浦。另外為了降低激光發(fā)射閾值，需要選擇使增益值最小化的激光器結構；基于VCSEL的微腔激光器滿足該標準。使用基于VCSEL的有機激光腔應能夠使光泵浦的功率密度閾值低于5W/cm2。結果實際的有機激光器器件能夠由各種容易使用的，諸如LED的不相干光源等光泵浦來驅動。
基于有機的增益介質存在一些不足，但是仔細設計激光器系統(tǒng)能夠克服這些不足。有機材料可因低的光和熱而損害閾值。為了排除對器件的不可逆損害，器件將具有有限的泵浦功率密度。另外有機材料對各種環(huán)境因素如氧和水蒸氣等非常敏感；努力減小器件對這些可變因素的敏感性來增加器件的壽命。
總之，有機激光器領域還沒有全面開發(fā)。而且，非晶有機材料的有利激光器結構、垂直微腔結構、和利用相干或者非相干光源的光泵浦也沒有全面開發(fā)。特別是，沒有出現(xiàn)光泵浦的有機垂直腔激光器向有利于各種系統(tǒng)用途的擴展。當有機激光器能夠通過高真空熱蒸發(fā)法、使用用于構圖的掩模和光致抗蝕劑而制造時，能夠產生各種激光器結構，包括激光器陣列結構。通過利用諸如噴墨或者激光熱沉積的打印方法(如有機LED的做法)制造部分有機激光器也是可能的。結果，有機激光器結構能夠以新的和獨特的方法優(yōu)化，以匹配如打印和顯示的具體的所需應用。

發(fā)明內容
一種有機垂直腔激光光產生器件包括襯底。多個激光發(fā)射器在垂直于襯底的方向發(fā)射激光。多個激光發(fā)射器內的每一激光發(fā)射器具有在垂直于激光方向的第一軸上的第一橫模結構，并具有在垂直于激光方向和第一軸的第二軸上的第二橫模結構。每一激光發(fā)射器包括設置在襯底頂表面上的第一反射鏡，其反射預定波長范圍的光。有機有源區(qū)產生激光。第二反射鏡設置在有機有源區(qū)上，其反射預定波長范圍的光。泵浦裝置激勵多個激光發(fā)射器。
本發(fā)明的這些和其他目的和優(yōu)點將在下面出現(xiàn)的優(yōu)選實施例的詳細描述中更多的顯示。


圖1是垂直腔有機激光器結構的橫截面圖。
圖2是工作效率改進的垂直腔有機激光器的結構橫截面圖。
圖3是具有在激光發(fā)射器陣列上的鎖相的垂直腔有機激光器的結構橫截面圖。
圖4a示出了本發(fā)明有機垂直腔激光器陣列的透視圖。
圖4b示出了在本發(fā)明激光器陣列中的部分有機垂直腔激光發(fā)射器的放大正視圖。
圖4c、4d和4e示出了在本發(fā)明有機垂直腔激光器陣列中的部分有機垂直腔激光發(fā)射器的另一實施例的放大正視圖。
圖5表示利用本發(fā)明的有機垂直腔激光器陣列的成像系統(tǒng)，其中激光器陣列與線性空間光調制器陣列組合使用。
圖6a-6c是表示由本發(fā)明有機激光器陣列的激光發(fā)射器發(fā)射的光的空間和角度特性的曲線圖表。
圖7a-7i表示基本的調制光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用了與空間光調制器陣列組合使用的有機垂直腔激光器陣列，具有用于照射有機垂直腔激光器陣列的不同結構。
圖8a表示調制光學系統(tǒng)的可替換的構造，該系統(tǒng)利用與照射調制器組合使用的有機垂直腔激光器陣列來提供彩色連續(xù)工作。
圖8b表示調制光學系統(tǒng)的可替換的構造，該系統(tǒng)利用與一個空間光調制器陣列組合使用的多個有機垂直腔激光器陣列。
圖8c表示利用與多個空間光調制器陣列組合使用的多個有機垂直腔激光器陣列的成像系統(tǒng)。
圖8d表示成像系統(tǒng)的可替換的構造，該系統(tǒng)利用與3個線性空間光調制器陣列組合使用的多個多顏色有機垂直腔激光器陣列。
圖9a表示整個成像系統(tǒng)，其中與空間光調制器陣列和其它光學裝置和機械裝置組合使用垂直腔有機激光器陣列，以便在靶平面上掃描圖像。
圖9b表示可替換的整個成像系統(tǒng)，其中與空間光調制器陣列和其它光學裝置和機械裝置組合使用垂直腔有機激光器陣列，以便在靶平面上掃描圖像。
具體實施例方式
圖1表示垂直腔有機激光器結構10的示意圖。襯底20可以依照想要的光泵浦和激光發(fā)射的方向是透射的或者不透明的。光透射襯底20可以是透明玻璃、塑料或者其它透明材料，如藍寶石。另外，如果通過同一表面發(fā)生光泵浦和發(fā)射，可以使用包括但不限于半導體材料(例如硅)或者陶瓷材料的不透明襯底。在襯底上沉積下介電疊層30，接著沉積有機有源區(qū)40。然后沉積頂介電疊層50。有機激光器膜結構35包括下介電疊層30、有機有源區(qū)40和頂介電疊層50的組合。泵浦光源65提供泵浦光束60，來光學泵浦垂直腔有機激光器結構10。泵浦光束60的光源可以是不相干的，如發(fā)光二極管(LED)發(fā)射的光。另外，泵浦光束可以從相干激光光源產生。圖1表示了從頂介電疊層50的激光發(fā)射70。另外，通過適當設計介電疊層反射特性，利用通過襯底20的光發(fā)射可以通過頂介電疊層50光學泵浦該激光器結構。在如硅的不透明襯底的情況下，光泵浦和激光發(fā)射都通過頂介電疊層50產生。
有機有源區(qū)40的優(yōu)選材料是小分子量的有機主摻雜組合物，它們一般通過高真空熱蒸發(fā)有機地生長/沉積。這些主摻雜組合物是有利的，因為對于增益介質它們導致非常小的非泵浦散射/吸收損耗。小分子量的有機分子是優(yōu)選的，因為真空沉積的材料可以比旋轉涂敷聚合物的材料沉積的更均勻。選擇本發(fā)明使用的主材料也是優(yōu)選的，這種選擇使它們對泵浦光束60具有足夠的吸收，并且能夠通過Frster能量轉換將它們的激勵能量的大百分比轉化給摻雜材料。那些本領域的技術人員熟悉Frster能量轉換的概念，其包括主分子和摻雜分子之間能量的較小輻射轉換。例如，用于紅發(fā)射激光器的有效主-摻雜組合是鋁三羧甲基氨基甲烷(aluminum tris)(8-羥基喹啉)(Alq)作為主材料，和[4-二環(huán)亞甲基(dickanomethylene)-2-t-丁基butyl-6-(1，1，7，-四甲基久洛尼定tetramethyl julolidyl-9-enyl)-4H-吡喃(pyran)](DCJTB)作為摻雜材料(1％的容積分率)。其它的主-摻雜組合可以用于其它的波長發(fā)射。例如，綠光有用的組合是Alq作為主材料和[10-(2-苯并噻唑基benzothiazolyl)-2，3，6，7-四氫化(tetrahydro)-1，1，7，7-四甲基(tetramethyl)-1H，5H，11H-[1]Benzopyrano[6，7，8-ij]喹嗪(quinolizin)-11-one](C545T)作為摻雜材料(0.5％的客積分率)。其它有機增益區(qū)材料可以是聚合的物質，例如聚亞乙烯苯衍生物(polyphenylenevinylene)派生物(derivatives)，(dialkoxy-polypolyphenylenevinylenes)，(poly-para-亞苯基phenylenederivatives)和(polyfluorene derivatives)，如共同轉讓的美國專利6,194,119中Wolk等人教導的。
下和頂介電疊層30和50分別優(yōu)選通過常規(guī)電子束沉積法沉積，并可包括交替的高折射率和低折射率的介電材料，例如分別是TiO2和SiO2?？梢允褂闷渌牧嫌糜诟哒凵渎蕦?，如Ta2O5。下介電疊層30在約240℃的溫度下沉積。在頂介電疊層50的沉積過程中，溫度保持在70℃附近，以避免有機有源材料的熔化。在本發(fā)明的可替換實施側中，通過沉積反射金屬鏡層來代替頂介電疊層。典型的金屬是銀或鋁，其反射率超過90％。在可替換的實施例中，泵浦光束60和激光發(fā)射70均通過襯底20行進。根據垂直腔有機激光器結構10所需的發(fā)射波長，下介電疊層30和頂介電疊層50反射預定波長范圍的激光。
使用具有非常高的精密度的垂直微腔允許在非常低的閾值下(低于0.1W/cm2的功率密度)發(fā)生激光躍遷。這種低的閾值能夠使用不相干光源用于泵浦代替激光二極管的聚焦輸出，在其它激光器系統(tǒng)中常規(guī)使用激光二極管。一個泵浦光源的例子是UV LED，或者UV LED陣列，例如Cree(具體地，XBRIGHT900UltraViolet Power ChipLEDs)。這些光源發(fā)射集中在405nm波長附近的光束，并公知的以芯片形式產生20W/cm2數(shù)量級的功率密度。因此，即使考慮由于器件封裝和LED的擴展角度發(fā)射輪廓造成的利用效率的限制，LED的亮度也足以在幾倍于激光閾值處泵浦激光腔。
使用如圖2所示的用于垂直腔有機激光器結構80的有源區(qū)設計進一步改進了激光器效率。有機有源區(qū)40包括一個和多個周期性增益區(qū)100和設置在周期性增益區(qū)每一側的有機間隔層110，這種設置使得周期性增益區(qū)與器件的駐波電磁場的波腹103對準。在圖2中表示了在有機有源區(qū)40中激光器的駐波電磁場圖形120的示意圖。由于受激發(fā)射在波腹處是最高的，且在電磁場的波節(jié)105處的受激發(fā)射可忽略不計，因此這是形成圖2所示的有機有源區(qū)40固有的改進。有機間隔層110不能進行受激或者自激發(fā)射，并且基本上不能吸收激光發(fā)射70或者泵浦光束60的波長。有機間隔層110是有機材料1，1-雙(4-雙(4-甲基-苯)氨基-苯)-環(huán)己胺(1，1-Bis(4-bis(4-甲基(methyl)-苯基(phenyl))-氨基(amino)-苯基(phenyl))-環(huán)己胺(cyclohexane))(TAPC)。由于TAPC基本上不吸收激光輸出或者泵浦光束的能量，因此作為間隔材料能夠正常工作，此外它的折射率比大多數(shù)有機主材料略低。這種折射率的不同是有用的，因為這可以有助于使電磁場波腹和周期性增益區(qū)(或者多個增益區(qū))100之間的重疊最大。如下面參照本發(fā)明所討論的，利用周期性增益區(qū)代替大體積增益區(qū)，導致較高的功率轉換效率并顯著降低不希望的自激發(fā)射。增益區(qū)的設置使用光學裝置的標準矩陣法來確定(“Design of Fabry-Perot Surface-EmittingLasers with a Periodic Gain Structure”by Corzine et al。IEEEJ.Quant.Electr.25，pp.1513-1524(1989))。為了得到好的結果，周期性增益區(qū)100的厚度需要為50nm或者更低，以便避免不希望的自激發(fā)射。
激光器能夠利用如圖3所示的鎖相有機激光器陣列190增加面積同時保持空間相干性。為了形成二維鎖相激光器陣列190，激光發(fā)射器200由需要限制在VCSEL的表面上的內發(fā)射器區(qū)210分隔。通過少量內部折射率或者增益波導將激光光束略微約束到發(fā)射器區(qū)，或者通過調制至少一個反射鏡的反射系數(shù)來生成激光發(fā)射器。在優(yōu)選實施例中反射系數(shù)調制受使用標準光刻和蝕刻技術在下介電疊層30中構圖和形成蝕刻區(qū)220的影響，因此在下介電疊層30的表面上形成圓柱形二堆陣列。其余的有機激光器微腔結構沉積在如上所述構圖的下介電疊層30上。
激光發(fā)射器的尺寸是用于確定由激光發(fā)射器支撐的橫模的關鍵。在折射率-波導結構的情況下，許多受支撐橫模由公知的控制光波導的準則決定(參考“Theory of Dielectric Waveguides”byH.Kogelnik，Chapter 2 of“Integrated Optics”，Ed.By T.Tamir，Springer-Verlag，1979，pp.13-81)。對于增益-波導結構，受支撐橫模的數(shù)量由受支撐腔模和增益輪廓之間的重疊度決定。對于反射-調制結構，受支撐橫模的數(shù)量由反射鏡結構的尺寸確定，并與給定模式經歷的衍射損耗有關。(參考“Resonant modes in a maserinterferometer”；Bell Sys.Tech.J，Vol.40，pages 453-458，March 1961，by A.Fox and T.Li)。根據波導的結構，存在關鍵的尺寸，在該尺寸以下只有單橫模受到支撐，且在該尺寸以上多橫模受到支撐。通常這些原理應用到激光系統(tǒng)中，且不專用于有機激光器激光中。
為了獲得鎖相，強度和相位信息必須在激光發(fā)射器200之間交換。為了達到目的，內發(fā)射器空間，邊到邊，應是在0.25到4μm范圍。鎖相陣列工作也發(fā)生在較大內發(fā)射器空間中；可是，這導致光泵浦能量的應用效率低.一般來說，對于發(fā)射器邊緣到發(fā)射器邊緣距離大于～10nm的內發(fā)射器空間將提供相干耦合。蝕刻深度優(yōu)選是從200到1000nm深，以形成蝕刻區(qū)域220。通過在下介電疊層30中刻蝕正好超過奇數(shù)層，就有可能造成遠離增益介質峰值的蝕刻區(qū)的縱模波長的有效相移。因此，防止了激光發(fā)射，顯著降低了內發(fā)射器區(qū)域210中的自激發(fā)射。蝕刻區(qū)域220形成的最終結果是激光發(fā)射器200的激光發(fā)射受到稍微的約束，從內發(fā)射器區(qū)域210中沒有激光的產生，相干鎖相激光由鎖相有機激光器陣列190發(fā)射。
有機VCSEL結構的另一改進是它們能夠容易地制造成可單獨尋址元件的陣列。在這種陣列中，每一元件與相鄰元件是不相干的，且由單獨的泵浦源(例如LED或者LED組)泵浦。該陣列根據應用的需要可以是一維的(線)或者二維(面)。陣列中的元件還能夠包括多個主-摻雜組合和/或多腔設計，以便用一個陣列產生許多波長。
與常規(guī)激光器材料相比，本發(fā)明的有機增益材料顯示出極大的增益帶寬。例如，已經報道Alq摻雜摻雜劑DCM具有超過100nm的增益帶寬(參見S.Reichel et al，Very compact tunable solidstatelaser utilizing a thin-film organic semiconductor，OpticsLetters Vol.26，No.9，pp.593-595(2001))。因此，使用相同的主材料-摻雜劑組合可以產生具有寬范圍波長的激光器。在具有相同主材料-摻雜劑組合的VCSEL元件的有機激光器陣列中，激光波長在各個激光發(fā)射器之間可以不同的，例如，通過可控制地改變有源區(qū)的厚度。由于具有多波長的縱模激光器，其波長與腔的長度成比例，因此改變有源區(qū)的厚度使各元件產生各種激光波長。
本發(fā)明提供的具體的有機垂直腔激光器陣列300如圖4a所示，在圖4b中更詳細地表示。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，該激光器陣列的各個激光發(fā)射器330是線性構造，在發(fā)射器的長軸(X)上具有多模激光發(fā)射特性，在發(fā)射器的短軸(Y)上具有單模高斯激光發(fā)射特性。排列激光發(fā)射器以形成單片有機激光器陣列，以使代表行330包括多個發(fā)射器330a、330b、330c、……330k，且行330沿X軸延伸，使發(fā)射器的長度與行的長度在相同的軸上。有機激光器陣列300還可包括多個平行的激光發(fā)射器行，如330、332、334、……342，如圖4a表示。有機激光器陣列300的總的用途和價值能夠通過圖5理解，其中成像系統(tǒng)400包括包圍有機激光器陣列(300)的調制光學系統(tǒng)410、線性空間光調制器陣列460，以及各種中間光束整形的光學裝置。激光光源的操作和結構特征主要決定了設計和實現(xiàn)成像系統(tǒng)400的難點，因此激光光源的改進具有重要的影響。本發(fā)明的有機激光器陣列300為改進成像系統(tǒng)400的設計和操作提供機會，并為該系統(tǒng)提供新的性能和特征提供機會。
特別是，圖5的成像系統(tǒng)400與Kurtz等人的美國專利5,923,475描述的激光熱打印系統(tǒng)非常類似。在該系統(tǒng)中，與有機激光器陣列300相當?shù)募す馄麝嚵惺穷~定工作在~810nm的紅外(IR)激光發(fā)射器陣列，其中發(fā)射器在X方向的長度可以是100～150μm，在Y方向的高度＜1μm。由于在半導體激光器陣列中發(fā)出功率密度(尤其是大功率陣列)，因此激光發(fā)射器通常隔開的間距比發(fā)射器的長度(例如500-650μm)大得多。在紅外熱激光器系統(tǒng)中，在陣列方向(X)的光用于泛光照射調制器陣列(460)，同時蠅眼積分器(440)使光均勻化，且激光發(fā)射器(330)與空間光調制器共軛。陣列場透鏡436能夠用于遠心照射調制器陣列460，或者可替換地，陣列場透鏡436能夠用于將蠅眼積分器成像在成像透鏡470的光瞳上。圖5中激光器陣列不同的是，美國專利5,923,475中示出的紅外激光器陣列是只設置單行激光發(fā)射器的半導體器件。一般來說，生產多行半導體激光器陣列(例如由Scifres等人的美國專利4,803,691)是非常困難的，多行陣列通常只由疊層的激光器陣列或者耦合到多行光纖陣列的多個激光器提供。這種多行結構成本高、機械加工復雜、并且相鄰行之間可能的最小間距嚴重受到限制。
半導體激光器陣列還典型地受稱作“微笑”的制造問題的影響，即沿行的發(fā)射器位置不同于在Y方向上的共線性。當微笑誤差在調制器陣列處影響交叉陣列光束尺寸時，同時可能影響光的效率或者影響調制性能，已經開發(fā)了光學和機械方法的組合來解決該問題，包括Kessler等人的美國專利5,854,651和Blanding等人的美國專利6,166,759中描述的。
與包括用于熱打印的紅外激光器陣列的半導體激光器陣列相比，有機激光器陣列300對成像系統(tǒng)400提供了幾個潛在的改進。首先，有機激光器能夠提供大部分可見光光譜上的可見光波長激光，而通過比較，半導體激光器已限制在特定的紅和藍激光波長。而且，由于也可以使用圖案打印技術容易地制造的有機激光器，所以可相對容易地產生多行陣列，在每一行中的激光發(fā)射器可高精度地定位(微笑誤差可忽略不計)。另外，激光波長能夠以精確方式在有機激光器陣列中容易地改變。有機激光器陣列相對半導體激光器陣列具有這些和其它顯著的改進，因此對具有這些有機激光器陣列結構的成像系統(tǒng)400提供了改進和新的性能。
這能夠通過參照圖4a和4b更詳細圖示的有機激光器陣列300得到更好理解。有機激光器陣列300包括在單片襯底310上制作的多行(330到342)激光發(fā)射器(如330a到330k)。如圖4b詳細所示，它表示了部分有機激光器陣列300，廣義的激光發(fā)射器328具有長(L)、寬(w)、行中發(fā)射器之間的間距(p)，其中長(L)小于間距(p)，因此相隔間隙325。同樣，在激光發(fā)射器行之間具有間距(p2)。在圖4b中，激光發(fā)射器328稱作“廣義的”，從而與有機激光器陣列300和激光發(fā)射器330a、330b、332a等的描述相比較下，有機激光器陣列300能夠在最寬的條件下描述，圖4a的討論認為覆蓋了本專利及許多變化的設計。
優(yōu)選的是，有機激光器陣列300使用來自外部的光源背光照射進行光泵浦。圖4a是簡單示意圖，具有提供波長為λi的照射光365的光源360和發(fā)射波長為λc的激光350的有機激光器陣列300。照射光束365通過襯底310透射，該襯底優(yōu)選是透光的，以便為位于有機激光器陣列300中的有機激光發(fā)射器提供泵浦光。例如，光源360可以是不相干光源如LED，發(fā)射λi從～380到～420nm的光，同時有機激光發(fā)射器通常能夠被構造成發(fā)射大多數(shù)可見光譜的光，所給定激光發(fā)射器提供具有有限帶寬(例如在532nm為+/-0.5nm帶寬)的設置激光波長為λc的光輸出。如下面更詳細討論的，能夠由不同的照射光學系統(tǒng)準備和優(yōu)化照射光365。
更簡單地，能夠構造有機激光器陣列300，使每一發(fā)射器標稱發(fā)射相同波長(再如532nm)的光束。可是，當構造的有機激光發(fā)射器在激光波長上具有相當多的細微變化，并且這些變化能夠在激光器陣列中以精確方式產生時，有機激光器陣列300可以構造成從單片襯底310上提供大范圍的激光波長。例如，可以制造具有發(fā)射器圖案的有機激光器陣列300，以使激光發(fā)射器330的第一行包括在一給定標稱波長(λc1)工作的激光發(fā)射器330a-330k，同時激光發(fā)射器332的第二行可包括在第二給定標稱波長(λc2)工作的激光發(fā)射器332a-332k。例如，λc1是532nm，而λc2是620nm。因此，有機激光器陣列300可構造成每一行具有不同的標稱激光波長，或者由多行激光發(fā)射器構成的組具有相同或者幾乎相同的標稱激光波長，而在相同陣列300中其它的由多行激光發(fā)射器構成的組具有不同的波長(相互不同或者與第一組不同)。同樣，有機激光器陣列300可以構造成使激光波長在給定的行內各激光發(fā)射器之間發(fā)生細微變化。與半導體或者固體激光器陣列努力嘗試類似的變化所遇到的困難相比，激光波長能夠容易地在有機激光器陣列300中預定變化是非常有利的。例如，Welch等人的美國專利US5,384,797描述了一種復雜的單片多波長激光二極管陣列，它包括激光諧振器陣列，與布拉格反射器光柵耦合，然后與激光放大器和倍頻波導陣列耦合，因此在設置和波長上與有機激光器陣列300提供的多波長激光器陣列相比靈活性差。顯而易見，用于改變有機激光器陣列300的激光波長的某些構造和組合特別有利于本申請考慮的成像系統(tǒng)。
應該理解圖4a所示的有機激光器陣列300僅僅是代表性的，并且器件具有7行發(fā)射器，每一行為11個激光發(fā)射器，用于解釋本發(fā)明的概念。例如，實際的器件可以制造成在幾個cm2面積的陣列中具有周期性間隔的激光發(fā)射器。作為另一示例，如果行的間隔是10μm周期(p2)，每行為150μm寬(L)，發(fā)射器間隔為250μm間距(p)，那么3cm×3cm的有機激光器陣列300將有～360,000個激光發(fā)射器。目前，光泵浦的有機激光器陣列已顯示具有相當適合的轉換效率。特別是，構圖的陣列已顯示具有將泵浦光(UV)轉換成輸出激光光束的～10-20％的轉換效率，而相對泵浦光的功率密度(＜1W/cm2)，顯示低的損耗閾值。這表示具有10cm2面積的有機激光器陣列能夠接受來自泵浦源的～10Watts的輸入UV光束，以便從激光器陣列提供～100到200mw的可見光波長的輸出激光。盡管這些輸出功率級別是適合的，但是對于成像打印和投影的某些用途來說，在測量具有該器件面積的輸出功率和選擇可見光譜的激光波長的能力上具有顯著的潛力。
如圖4a和4b所示，本發(fā)明的有機激光器陣列300優(yōu)選地包括激光發(fā)射器328，在構造上是長(在X方向上)而窄的(在Y方向上)。更優(yōu)選的，廣義的激光發(fā)射器328在X方向是多模激光光源，在Y方向上是單模激光光源。為了實現(xiàn)這一目的，廣義的激光發(fā)射器328在X方向要具有足夠大的長度(L)，以便支撐多個橫向激光器模，在Y方向的寬度要足夠小，以便支撐單個橫向激光器模。示范性的激光發(fā)射器在y方向的“高度”可以是～2-5微米，在X方向的“長度”是100μm。單模發(fā)射的光優(yōu)選是標稱的高斯光束(用M2參量定義光束質量)，半角光束寬度為β，如圖6a所示，其中曲線“a”代表空間(ω)和角光束(β)的輪廓。當廣義的激光發(fā)射器328在Y方向是單模激光光源時，高度(w)對應于高斯光束腰部半徑(ω)的兩倍。多模發(fā)射的光具有半角光束寬度α，角和空間光束輪廓不是高斯光束，但該輪廓較寬，并且優(yōu)選是均勻的直到邊緣。使用一般的習慣，定義角寬度α和β延伸到角強度輪廓(不管輪廓是否為高斯形狀)的1/e2點(～13％功率級別)。如圖6b所示，空間光束輪廓在發(fā)射器長度L上理想地是均勻的(參見曲線“b”)，但是稍微圓形的輪廓(曲線“c”)是能夠接受的。有噪音的空間光束輪廓(曲線“d”)，其例如可以由激光發(fā)射器中的成絲作用引起，雖然它能夠被補償，但仍是非常不期望的。在陣列方向光束寬度α內的標稱多模角輪廓優(yōu)選也是均勻的(如曲線“b”)，但是非均勻輪廓是可以容忍的(例如圖6c的曲線“e”)。
具有廣義激光發(fā)射器328的有機激光器陣列300的構造標稱是長和窄的，優(yōu)選在一堆上是單模的，在另一維上是多模的，成像系統(tǒng)400的構造激發(fā)該有機激光器陣列的構造，如圖5所示，它利用線性空間光調制器陣列460，并向靶平面475提供像素化光線，這種方式在圖像的打印和成像投影系統(tǒng)中特別有效。典型的空間光調制器陣列460包括電可尋址像素463(或者調制器位置)的線，其中每一像素具有預定的陣列方向寬度和交叉陣列高度。例如，每一像素463可有40μm的寬度和40μm的高度。優(yōu)選地，構造調制器陣列使其具有高光學占空系數(shù)(0.9或更高)，以使相鄰像素之間的任何間隙最小。因此，例如，具有單行2048像素的線性調制器陣列將具有～8.192cm長、但僅40μm寬的有源區(qū)。
為了使光效率最大，照射線性空間光調制器陣列的光將與這些尺寸匹配，具有最小的過滿照射(可以容忍調制器照射區(qū)域的一些過滿照射以幫助系統(tǒng)的對準)。同樣優(yōu)選地，在陣列方向(調制器的長度方向)的照射光輪廓在幾個百分比內是均勻的。而電圖案校正能夠利用尋址到調制器陣列460的各個像素463的偏置或增益信號來補償照射圖案的非均勻性，這種校正是以像素照射、對比度或者調制位深度為代價的。因此，圖5的成像系統(tǒng)400表示由有機激光器陣列300發(fā)射的陣列方向的光被蠅眼積分器440優(yōu)化，以便提供對調制器陣列460的適當照射。如下面所述，光源360提供的泵浦光也可以利用光泵浦照射系統(tǒng)500進行優(yōu)化，以便提供對有機激光器陣列300的適當照射，并因此潛在地對調制器陣列460提供適當?shù)恼丈?。圖5的系統(tǒng)還提供交叉陣列微透鏡陣列450，以及交叉陣列透鏡455a和455b，來控制從有機激光器陣列300到調制器陣列460的交叉陣列照射。設計這些交叉陣列的光學裝置以標稱地填充調制器460的窄方向，否則實際構造取決于有機激光器陣列300和調制器陣列460的性能。
一般優(yōu)選用一行中的每個激光發(fā)射器發(fā)射的光在陣列方向上照射空間光調制器陣列460的整個長度，而不是將來自發(fā)射器的光映射到調制器陣列的給定部分。該照射是冗余的以克服一個或多個發(fā)射器故障的問題?？墒沁@意味著一行(如330a、330b、……、330k)內的激光發(fā)射器應在陣列(X)方向上相互不相干，以至于它們能夠重疊而沒有在調制器陣列的光束輪廓中產生顯著的干涉條紋。如果每個激光發(fā)射器提供均勻(或者近似均勻)輪廓的光(圖6b的曲線“b”)，則無需均勻化光學裝置就可以將該光引導到調制器陣列上。另外，如果所發(fā)射的光的輪廓是不均勻的，但是在發(fā)射器行中從一個發(fā)射器到下一個發(fā)射器具有發(fā)射器光非均勻性的隨機圖案，那么來自發(fā)射器的光能夠潛在地重疊，以通過平均化提供均勻的照射而無需均勻化光學裝置?？墒牵绻l(fā)射器的光輪廓具有圖案非均勻性，如通常在發(fā)射器邊緣的衰減(如圖6b的曲線“c”)，那么盡管平均化，如果不使用均勻化光學裝置而使發(fā)射器重疊，則該衰減將重復。如果該衰減超過應用的容忍范圍，那么可以通過過照射調制器陣列或者通過使用光均勻化光學裝置(如蠅眼積分器或者積分棒)校正該問題。象這樣光均勻化光學裝置混合給定發(fā)射器發(fā)出的光與其自身，需要的是從該發(fā)射器發(fā)射的激光是多模的且充分非相干的(或者部分相干)，能夠在所得到的照射中產生重疊而不再引入顯著的干涉條紋。另一方面，需要一些極少量的光相干以獲得有效的光調制(例如，在諸如傅立葉平面中使用Schlieren光學裝置進行濾光的GLV的衍射調制器的情況下)。結果，有機激光器陣列300優(yōu)選包括至少一行激光發(fā)射器，其中發(fā)射器分別是多模的，且在多個發(fā)射器上的陣列(X)方向上相位分離。如下面所述，區(qū)域激光器陣列的生成表示能夠使用發(fā)射器之間相位分離或者非相干的其它組合。
如上所述，在交叉陣列(Y)方向，通常優(yōu)選窄的激光發(fā)射器，以使光能夠有效地耦合到包括空間光調制器陣列的像素窄線中。盡管激光發(fā)射器在交叉的陣列方向可以是多模的，但是單模高斯發(fā)射通常是優(yōu)選的，如相干高斯光束比非相干光束傳播更緊湊，它能進一步幫助光交叉陣列的光耦合到調制器陣列中。如上所述，當來自多個發(fā)射器的光重疊時，需要的是激光發(fā)射器從一個激光器到另一個是相位分離，以避免任何交叉的陣列方向的干擾影響。盡管可以使用諸如蠅眼積分器的光束均勻化光學裝置，來使交叉陣列的光均勻化，但是，對于某些應用來說逐漸衰減(如高斯光束)的光輪廓是有利的。例如，在某些打印用途中，當涉及打印品如邊界時，如果交叉陣列光輪廓逐漸而不是突變地衰減，則放松了對線性設置的允許誤差。在成像系統(tǒng)400構造成具有2D有機激光器陣列300的情況下，優(yōu)選的是從330、332、334等許多行的多個發(fā)射器發(fā)射的光束在調制器陣列處的交叉的陣列方向是重疊的，如多個重疊的非干涉高斯光束。
另外，對于一些線性空間光調制器陣列，如光柵光閥(GLV)或者保形光柵調制器而言，在掃描方向優(yōu)選使用接近衍射極限的激光光束。本發(fā)明通過在交叉陣列(Y)方向鎖相發(fā)射器能夠實現(xiàn)上述功能。即通過減小窄方向的間距p2以使相鄰發(fā)射器內的圓激光模之間相互作用，并且成為相干耦合而實現(xiàn)。鎖相發(fā)射器然后在所謂的“超模”中在交叉的陣列方向發(fā)射相干光。超模與常規(guī)的激光器系統(tǒng)產生的橫模相同，并且是本領域技術人員公知的?；Ｊ歉咚寡苌錁O限光束(在交叉的陣列方向)，它們可以被聚焦在空間光調制器陣列上而不需要重疊各個發(fā)射器。應注意的是在鎖相激光器陣列中，較高階的超模經常占主要地位，而不是高斯基模。盡管如上所述通常利用多個超模產生干涉條紋，但是這些較高階的超?；蛘叨鄠€超模也能夠被聚焦到空間光調制器陣列上?？墒窃谠S多掃描用途中，在最終圖像中看不見這些，這是由于掃描活動沖洗掉了具有細小間距的干涉條紋。
在交叉陣列(Y)方向鎖相發(fā)射器的一個優(yōu)點是為激光發(fā)射提供了更高的占空系數(shù)，因此，從有機激光器陣列300每單位面積產生較高的光輸出?？墒牵瑢嶋H上激光發(fā)射器能夠被鎖相的總面積受限于多種影響，包括熱梯度、材料均勻性和泵浦均勻性。圖4e所示的二維有機激光器陣列300表示可替換的實施例，具有鎖相發(fā)射器組305，其提供高占空系數(shù)以及高的總光輸出。實際上，有機激光器陣列300的每個發(fā)射器由鎖相發(fā)射器組305代替。有利的是，為了本申請中描述的用途和系統(tǒng)，有機激光器陣列300可以構造成具有給定的鎖相發(fā)射器組305，從而提供激光超模，該發(fā)射器組與附近或者相鄰的第二鎖相發(fā)射器組305相比具有不同的光發(fā)射性能。例如，一組鎖相發(fā)射器305可以提供一種標稱激光波長(例如540nm)的超模，而另一組鎖相發(fā)射器305提供另一標稱波長的超模，它可以是相同顏色帶(例如550nm)或者是另一顏色帶(例如625nm)。
圖4a表示的有機激光器陣列300受到為激光器陣列提供泵浦光的光源360非常簡單地照射。另外，利用電線370，圖4a提供可替換的泵浦方式，有機激光器陣列300能夠電泵浦而不是光泵浦，以至于輸入電能激勵有機增益介質發(fā)光，同時腔結構支持激光發(fā)射?？墒?，如上所述，出于各種原因，利用光泵浦以及有機激光器陣列是優(yōu)選的，以使來自泵浦源的光λi將增益介質激勵成高光發(fā)射能量狀態(tài)?？墒强梢赃M一步優(yōu)化光源360對有機激光器陣列300的照射、將引導到空間光調制器陣列460上的所發(fā)射的激光λc光束整形以及通過設計有機激光器陣列300，來實現(xiàn)提供優(yōu)化的成像系統(tǒng)400的目的。為此，圖7a到7h表示各種調制光學系統(tǒng)410的構造，可以有利地利用調制光學系統(tǒng)410以構成使用有機激光器陣列300的成像系統(tǒng)。
與圖5所示的成像系統(tǒng)400比較，圖7a表示了調制光學系統(tǒng)410的截面YZ平面圖，表示空間光調制器陣列460的交叉的陣列方向的照射。因此，表示了來自有機激光器陣列300的每行激光發(fā)射器330、332、334等的單獨激光發(fā)射器(例如330a)。各個激光發(fā)射器發(fā)射光，由組合微透鏡陣列433器的微透鏡將它們形成標稱準直的光束。組合場透鏡430使每個準直光束再聚焦到空間光調制器陣列460上，以提供每個激光發(fā)射器的放大圖像，所述準直光束相互重疊，從而填充調制器陣列的窄寬度(40μm)。盡管圖7a表示了電線370，通過該電線能夠產生電泵浦有機激光器陣列300，但是圖7a更詳細地表示了有機激光器陣列300的光泵浦照射系統(tǒng)500，光泵浦照射系統(tǒng)500包括燈505、照射中繼透鏡530和照射場透鏡535。
在該構造中，包括電極510和橢圓輪廓的反射器507的燈505通常是弧光燈。例如，燈可以是高壓氙氣短弧光燈或者高壓汞短弧光燈，其安裝在旋轉反射器507的表面上。濾光片520除去除所需要的UV泵浦光譜帶之外的光源光。在有機激光器陣列300后，該系統(tǒng)可包括另一濾光片，漏光源濾光片525，以除去通過激光器陣列漏過的任何剩余的泵浦光。漏光量取決于光學轉換效率和激光發(fā)射器328在襯底310(圖4b)有源區(qū)的占空系數(shù)。盡管氙氣光源可以用于利用UV和低藍光譜光的光泵浦，這是因為氙燈大多數(shù)發(fā)射可見光和IR光，但是光學效率非常低。由橢圓反射器粗略聚焦的所發(fā)射的光通過包括照射中繼透鏡530和照射場透鏡535的聚集光學裝置收集。這些透鏡標稱使有機激光器陣列被遠心入射光進行泛光照射。
在上述討論中，已經描述了本發(fā)明的有機激光器陣列300的總的性能，如涉及單獨激光發(fā)射器的結構和光束性能以及整個激光器陣列，如具有激光器陣列與光學泵浦照射系統(tǒng)(參加圖7a)的一般的結合。但是還沒有全面描述兩者如何能夠結合，以便提供獨特的和改進的成像系統(tǒng)。例如，參照圖4a，有機激光器陣列300可構造成兩行激光發(fā)射器，如330和332，將它們設計成發(fā)射630nm標稱波長的紅光。同樣，兩行激光發(fā)射器334和336可以發(fā)射540nm標稱波長的綠光，而兩行激光發(fā)射器338和340可以發(fā)射460nm標稱波長的藍光。因此，由光源發(fā)射非相干光，該光源在圖7a的情況下是燈505，該光泵浦有機激光發(fā)射器陣列300，該陣列的發(fā)射器繼而共同提供可見光譜內的各個波長的激光。該激光光束然后能夠被光學地結合以形成入射到空間光調制器陣列460上的白激光。當用控制信號尋址空間光調制器陣列460的單獨像素463時，且空間光調制器陣列460通過成像透鏡470成像在靶平面上時，能夠在靶平面提供經調制的白激光光線。如果系統(tǒng)進一步包括掃描器(如電流計或者多邊形(圖7a中未示出))，那么能夠掃描該經調制的白激光光線，以提供尋址的二維圖像。這種系統(tǒng)能夠用于例如高亮度、受限的視角信號、或者可替換地用于彩色圖像打印或者投影，前提是有機激光器陣列300提供的彩色光束按照顏色順序方式變化。系統(tǒng)還可以構造成具有3個有機激光器陣列300，一種顏色一個陣列，用于較高功率圖像打印或者圖像投影的用途，其中必須連續(xù)提供每一顏色的調制信號。在進一步開發(fā)用于照射有機激光器陣列的各種構造后，將更好地解釋有機激光器陣列300的各種設計和用途。
在圖7a所示的系統(tǒng)中，有機激光器陣列300的照射很可能在幾個百分比內是不均勻的。例如電極510通常在光束的中心引入陰影，該陰影會降低激光器陣列的軸向強度。另外如果弧光被成像到激光器陣列上，那么由此產生的照射通常按照類似于高斯的方式逐漸衰減。如果圖7a的光泵浦照射系統(tǒng)構造成傳統(tǒng)的Koehler類型系統(tǒng)，則對于激光器陣列交叉陣列的照射容差較松的用途而言可提供足夠的均勻性。
圖7b的系統(tǒng)表示在調制光學系統(tǒng)410內可替換的光泵浦照射系統(tǒng)500，參見橫截面XZ視圖。在這種情況下，圖中激光發(fā)射器330中只有一行的激光發(fā)射器330a、330b、330c等是可見的。如上述討論的，在該平面通常需要的是用均勻光照射線性空間光調制器460。為了討論，假設在有機激光器陣列中泵浦光轉換成激光的量子轉換效率是高度均勻的，以使激光器陣列的均勻照射轉換成該陣列上從激光發(fā)射器到激光發(fā)射器發(fā)射的均勻功率。在這種情況下，激光器陣列的照射均勻性理論上決定了調制器陣列的照射均勻性。圖7b的光泵浦照射系統(tǒng)還包括燈505和光均勻化光學裝置，在本例中是蠅眼積分器440。本領域的技術人員可以理解，蠅眼積分器將輸入的光束分成許多較小的微光束(beamlets)，然后重疊它們的像從而產生均勻的照射。在圖7b系統(tǒng)的情況下，蠅眼積分器可包括只在XZ平面中具有光焦度的圓柱形光學裝置，以使有機激光器陣列僅在陣列方向的照射均勻化。另外，如果對于百分之幾內的光均勻性使交叉的陣列方向的照射均勻化也是重要的，那么蠅眼積分器440可使用球面光學裝置，固此沿兩個子午方向提供光的均勻化。場透鏡(未示出)可以放置在線性空間光調制器陣列460之前，不但向調制器陣列提供遠心照射，而且可替換的，通過將光成像到該透鏡的光瞳中而增強了通過成像透鏡470的光耦合。
為了進一步舉例說明可替換的有機激光器陣列300的光泵浦，圖7b表示帶燈505的調制光學系統(tǒng)410，其中電極510是從端部觀察的橫截面。這通常表示中等壓強汞燈光源的用途，其具有由長弧光橋接的兩個端電極，從該電極發(fā)射光束。作為另一可替換的，可以使用在兩個平行的長電極之間的間隙產生光的準分子燈。與氙燈相比，中等壓強汞燈和準分子燈比是高效率UV光源。利用圓柱形發(fā)射器就可以有效地實現(xiàn)這種燈的光收集，而不是圖7a討論的旋轉反射器的表面。在圖7b的情況下，燈505利用柱面橢圓形反射器507，該反射器僅在交叉的陣列方向(XZ平面)具有聚焦光的光焦度。另外，圖7b的系統(tǒng)可使用這種伸長的UV光源，同時使用在陣列方向具有光焦度的柱面橢圓形反射器，或者柱面拋物線形反射器，或者其它輪廓的反射器。當然，圖7b的系統(tǒng)可以構造成圖7a的短弧光燈和旋轉反射器的表面。
圖7c的系統(tǒng)表示另一可替換的在調制光學系統(tǒng)410內的光泵浦照射系統(tǒng)500，參見橫截面YZ視圖，其中具有拋物線輪廓的反射器507的燈505用“準直”光照射有機激光器陣列300。該橫截面圖表示了多行激光發(fā)射器330、332、334等，如用于有機激光器陣列300的單個激光發(fā)射器(例如330a)所示。如圖7a所示的系統(tǒng)中，電極擋光，因此在光束的中心產生一個陰影(低強度區(qū)域)，當照射光傳播時該陰影只被部分填充。再者，光均勻化光學裝置，如圖7b表示的蠅眼積分器，可以用于在交叉的陣列方向(YZ)、陣列方向(XZ)或者該兩個方向改善激光器陣列的照射。另外，散射片515，諸如Physical OpticsInc.of Torrance，CA，的全息散射片，可以用于改善激光器陣列的照射均勻性。
圖7c的系統(tǒng)還表示為沒有借助組合微透鏡陣列433的操作。組合微透鏡陣列433的主要功能是收集/準直具有相互不相干發(fā)射器的有機激光器陣列300發(fā)射的光，以便保持亮度和限制LaGrange。在光學系統(tǒng)中，術語LaGrange(或者聚光本領)涉及一個量，該量是光源空間范圍(H)和光源角度范圍(θ)的乘積。在有機激光器陣列的情況下，對于單個發(fā)射器的陣列方向的LaGrange是E＝H*θ＝(L/2)*α，而對于單個發(fā)射器的交叉的陣列方向的LaGrange是E＝H*θ＝(w/2)*β，其中尺寸量由圖4a和4b定義。在圖4a的情況下，組合微透鏡陣列433標稱是在交叉的陣列方向準直來自每個激光發(fā)射器的激光光束。首先，它具有將交叉陣列LaGrange限制成激光發(fā)射器行數(shù)(N)和在一行中發(fā)射器的交叉的陣列方向的LaGrange的乘積的作用，或者E＝N*(w/2)*β。同樣，圖7b的情況下，組合微透鏡陣列433將從有機激光器陣列300收集的LaGrange限制成一行中激光發(fā)射器數(shù)(M)和一行中一個發(fā)射器的陣列方向LaGrange的乘積，或者E＝M*(L/2)*α。相反，在圖7c的系統(tǒng)中，在沒有借助組合微透鏡陣列433的情況下收集來自有機激光器陣列300的光，且有效的交叉陣列LaGrange是E＝(Wa/2)*β，其中計算包括整個陣列寬度Wa，并因此包括發(fā)射器行之間間隔。結果，為圖7c的情況收集的交叉陣列LaGrange((Wa/2)*β)比為圖7a的情況收集的交叉陣列LaGrange(N*(w/2)*β)大得多。因此，亮度，即在發(fā)射范圍(LaGrange)上收集的能量比率，對于圖7a的情況比圖7c的情況大得多(假設圖7a和7c的有機激光器陣列300發(fā)射相同的總能量并且組合微透鏡433僅從吸收或者散射引入適當?shù)墓鈸p耗)。因此，這表明空間光調制器陣列460的亮度較高，同樣在靶平面也較高。增加的亮度轉換成提供較高功率密度或者降低角度范圍的能力，其中之一就可改進整個系統(tǒng)的操作。盡管根據圖7a和7b討論的組合微透鏡433表示成具有圓柱形構造(只在一軸向的光功率)，但是組合微透鏡433可包括球面透鏡單元，以使所收集的LaGrange在兩個平面中最小。另外，應該注意有機激光器陣列300的LaGrange計算是稍微簡化的。例如，在交叉的陣列方向，提供高斯光束的單模激光發(fā)射器的LaGrange可以計算成E＝λ/π，其中引入波長相關性。這表明在包括具有很多種波長(例如紅光(630nm)和綠光(540nm))的激光發(fā)射器的有機激光器陣列300中，對于該陣列的總LaGrange不是發(fā)射器LaGrange和發(fā)射器個數(shù)的簡單乘積。
上述討論已假設發(fā)射器在掃描方向是相互不相干的(即不是鎖相的)。在鎖相的情況下，LaGrange由鎖相陣列產生的超模的性質決定。對于基本超模的特殊情況，LaGrange是衍射極限的高斯光束，E＝λ/π。因此，當有機激光器陣列300在掃描方向是鎖相時，在掃描方向光束合成是無用的。
在大多數(shù)系統(tǒng)中，盡管還可應用靶平面的約束，但是交叉的陣列方向的設計準則由光焦度要求和調制器陣列的交叉陣列LaGrange限制決定。如果允許的交叉陣列LaGrange十分大(大的像素寬度和大的NA)，那么在沒有使用交叉陣列組合微透鏡陣列430(如圖7c)時，足以重疊交叉陣列的不相干高斯或者小模光束。如果交叉陣列的LaGrange稍微較小，那么足以重疊交叉陣列的不相干高斯光束，同時使用組合微透鏡陣列430以便光學去除發(fā)射器行之間的間距(如圖7a)。如果允許的交叉陣列LaGrange非常小，那么必須具有在全部激光器陣列上鎖相的激光發(fā)射器，以便產生交叉陣列超模，或者具有以圖4e的方式使用鎖相發(fā)射器305組鎖相的激光發(fā)射器。
圖7d系統(tǒng)表示可替換的光泵浦照射系統(tǒng)500，其中泵浦光源是LED陣列550，用于照射有機激光器陣列300。在這種情況下，LED陣列550可以是無機固態(tài)器件，或者是有機或者聚合物器件(O-LED或者P-LED)，前提是發(fā)射的光覆蓋了可見光有機激光器所需要的UV到低藍光泵浦光譜。LED陣列550包括一連串LED發(fā)射器553，它們一般發(fā)射高度發(fā)散光。在圖7d的系統(tǒng)中，它表示為YZ橫截面圖，收集來自LED發(fā)射器553的光，通過照射微透鏡陣列540和照射組合透鏡537在有機激光器陣列300上以重疊的方式再成像。照射場透鏡535用于形成對有機激光器陣列300的標稱遠心的照射。如上述情況，由LED發(fā)射器553的光產生的對有機激光器陣列300的重疊泛光照射將提供冗余以防止個別發(fā)射器的故障，但是不需要提供照射均勻性。然而，再者，在YZ平面，該平面對應于調制器陣列460的交叉的陣列方向，通常需要冗余而允許非均勻性。但是，如果每個LED發(fā)射器553通常發(fā)射均勻的光，那么來自多個LED發(fā)射器的光可以在有機激光器陣列300處合并，以便提供均勻的照射。邊緣衰減的影響最簡單的解決辦法是在LED陣列550的邊緣添加額外的LED發(fā)射器，以使激光器陣列實際上被過度照射。
另外，有機激光器陣列300的均勻照射能夠通過LED陣列550與蠅眼積分器440的組合來提供，如圖7e的光泵浦照射系統(tǒng)500所示。圖7e的系統(tǒng)表示在XZ平面配置有具有光焦度的蠅眼積分器440的光學裝置，其目的是在有機激光器陣列300和空間光調制器陣列460的陣列方向標稱地提供均勻照射。當然，蠅眼積分器440可以用于只在交叉的陣列方向使用在YZ平面具有光焦度的圓柱形光學裝置提供均勻照射，或者使用具有球面的橫截面輪廓的透鏡和微透鏡在陣列和交叉的陣列方向提供均勻照射。
如另一可替換的示例中，圖7f表示光泵浦照射系統(tǒng)500的YZ平面的橫截面圖，其中LED陣列550在沒有借助中間光學系統(tǒng)的情況下，直接照射有機激光器陣列300。在這種系統(tǒng)中，優(yōu)選的是具有來自在一維或者二維照射多個激光發(fā)射器(如330a，330b，332a，332b)的任何LED發(fā)射器553的光，以提供部分泵浦源冗余，盡管該冗余比上述每個LED發(fā)射器泛光照射全部激光器陣列的示例少。圖7f的系統(tǒng)具有更少的組件，與上述示例相比其提供較低的系統(tǒng)成本和更緊湊的系統(tǒng)。
圖7b和7e的示范性的光泵浦照射系統(tǒng)都使用了蠅眼積分器440，來準備以所需的均勻程度照射有機激光器陣列300的光束。盡管由于蠅眼積分器的設計靈活性和性能而優(yōu)選蠅眼積分器，但是可以使用包括光散射器、光纖陣列和積分棒的其它光學裝置以提供均勻照射。圖7g表示另一構造，其中使用積分棒(還稱作光管)480來幫助提供在XZ平面(對于空間光調制器陣列460而言的陣列方向)對激光器陣列的均勻照射。聚光中繼透鏡485將積分棒480的輸出面成像在有機激光器陣列300上，并且在場透鏡(未示出)的可能輔助下改善性能。
如另一可替換的示例，圖7h表示光泵浦照射系統(tǒng)500，其中有機激光器陣列300由泵浦激光器570照射，光束整形光學裝置575改變和準備泵浦激光器570的輸出光束。在這種情況下，光束整形光學裝置575表示為兩個透鏡的簡單擴束器，盡管可以使用包括單透鏡、棱鏡擴束器、如3透鏡開普勒(Keplerian)系統(tǒng)的望遠擴束器和如蠅眼系統(tǒng)的光積分器或者高斯-“頂帽”光束轉換器的其它光學系統(tǒng)準備來自泵浦激光器570的激光光束，以便照射有機激光器陣列300。
在另一個可替換的示例中，圖7i表示光泵浦照射系統(tǒng)500的XZ平面橫截面圖，其中LED陣列550是直接照射有機激光器陣列300的泵浦源，有機激光器陣列300又成像在空間光調制器陣列460上。如圖所示，盡管未示出任何交叉陣列光學裝置(在XZ平面的光焦度)，但是該系統(tǒng)是簡化的并相當緊湊。該系統(tǒng)主要的優(yōu)點是可以控制照射程度，以便補償在空間光調制器陣列460上像素463之間調制性能的變化。更詳細地講，該系統(tǒng)從LED陣列550直接提供照射光束給有機激光器陣列300，沒有引入均勻化光學裝置。然后，通過控制LED陣列550的LED發(fā)射器553的尋址信號，故意地改變有機激光器陣列300上的照射。有機激光器陣列300發(fā)射的光，通常具有與LED陣列550發(fā)射的光匹配的輪廓。該輪廓是變化的，使有機激光器陣列300發(fā)射的光在再成像到空間光調制器460上時補償調制器性能的變化。該系統(tǒng)與突變的像素到像素變化相比，通常能夠更有效地補償空間光調制器陣列460的圖案性能變化。它也可以用于校正成像透鏡470的漸暈和cos4θ衰減。
在有關使用有機激光器陣列300的最初討論中，有機激光器陣列300與光泵浦結合，形成多顏色調制的激光光源，用于打印或者投影，討論了利用設置有RGB激光發(fā)射器圖案的單有機激光器陣列300的顏色順序系統(tǒng)的潛在能力。參照圖8a的調制光學系統(tǒng)410能夠更好的理解。在該系統(tǒng)中，照射調制器555放在有機激光器陣列300之前，該調制器555調制入射的照射光。如圖8a所示的例子，兩個照射調制器像素(如557a和557d)控制對有機激光器陣列300的藍激光發(fā)射器的泵浦照射。同樣，其它調制器像素控制對綠和紅發(fā)射器的泵浦照射。通過以顏色順序的方式打開或關閉照射陣列的像素，可以按顏色順序驅動對空間光調制器陣列460的凈照射。在這樣的系統(tǒng)中，將照射調制器555上的像素圖案映射到具有小溢出量的有機激光器陣列300是理想的，從而使顏色串擾最小。如果需要可在照射調制器陣列555和有機激光器陣列300之間插入光學系統(tǒng)(未示出)，以便幫助最小化尋址的顏色串擾。照射調制器555例如可以是透射的LCD陣列器件，與預偏振濾光片560a和檢偏濾光片560b組合使用。在有機激光器陣列300前設置照射調制器555通常是優(yōu)選的，而不是設置在之后，這是因為可以方便地增加泵浦源的照射，以便補償通過照射調制器555和相關濾光片產生的傳輸損耗。
圖8b，表示的是用于圖像打印機或者圖像投影儀的，能夠提供顏色順序操作的第二調制光學系統(tǒng)410。其部分包括3個調制通道580a、580b、580c。每個調制通道具有自己的光泵浦照射系統(tǒng)500和有機激光器陣列300，它們發(fā)射的激光由合成棱鏡655合成，從而同時照射空間光調制器陣列460。為了簡化，圖8b中表示的光泵浦照射系統(tǒng)500利用了圖7f所示的緊湊系統(tǒng)，然而可以使用圖7a-7h表示的任意光泵浦照射系統(tǒng)。優(yōu)選的是每個光泵浦照射系統(tǒng)500對應于給定的顏色，以使例如系統(tǒng)500a提供藍光，系統(tǒng)500b提供綠光，以及系統(tǒng)500c提供紅光。圖8b的合成棱鏡655表示的是X棱鏡(例如參照Sonehara的US專利5,098,183)，然而可以使用諸如Philips棱鏡(參照DeLang的US專利3,202,039)或者交叉板等其它合成器。在任意情況下，合成器是一層或多層二向色涂層的組合，其主要根據該光的波長再引導(透射或者反射)該光。通過以周期性的方式操作LED陣列550能夠提供顏色順序操作，從而與提供給空間光調制器陣列460的圖像數(shù)據相同步地從一種顏色切換到下一顏色。盡管該系統(tǒng)比圖8a的系統(tǒng)更復雜，其具有潛在提供每個顏色帶的多個可見激光的優(yōu)點，這是因為每種顏色具有整個有機激光器陣列300作為光源。由于激光的光譜帶寬能夠相當窄且被精確地控制，因此合成棱鏡655的設計與大多數(shù)投影系統(tǒng)相比是有利的。
應該理解，除圖8a和圖8b所示的系統(tǒng)之外，存在其它顏色順序成像系統(tǒng)構造，其中能夠有效地使用有機激光器陣列300。例如Jannsen的美國專利5,410,370描述了顏色順序投影系統(tǒng)，其中光源被分成3個平行彩色光束，然后這些光束在單一的透射式LCD上滾動，該LCD提供了圖像數(shù)據。有機激光器陣列300，與圖8a所示的類似，能夠用作美國專利5,410,370系統(tǒng)的濾色燈光源的替代光源。
對于最充分考慮系統(tǒng)的成本和大小的用途，顏色順序系統(tǒng)是有利的，但是對于系統(tǒng)的亮度或者顏色的再現(xiàn)具有更高優(yōu)先級的用途，這種系統(tǒng)是不利的。因此，圖8c表示了成像系統(tǒng)400，與圖8b所示的類似，不同之處在于每個顏色通道包括調制光學系統(tǒng)410，每個調制光學系統(tǒng)包括光泵浦照射系統(tǒng)500和空間光調制器陣列460。在獨立地調制了3顏色通道后，合成棱鏡655可以用于重新引導3光束進入公共的光學路徑，然后成像透鏡470能夠投射3個調制器陣列的重疊圖像。盡管該系統(tǒng)利用了3個調制器陣列460，因此由于增加了成本是不利的，但是傳輸?shù)牧炼戎辽偈侨?，同時各自的彩色信號連續(xù)地傳輸。作為成像系統(tǒng)400的圖示，圖8c是不完整的，這是因為未示出通過在靶平面上掃描線性空間光調制器陣列460的圖像產生的圖像。還應該理解本申請中已經表示了作為簡單的單元件透鏡的成像透鏡470，實際上，可以使用多元件透鏡。在圖8c的情況下，成像透鏡470可具有置于合成棱鏡655和空間光調制器陣列460之間的場透鏡元件。
作為另一可替換示例，如圖8d所示，單獨的、多顏色有機激光器陣列300可以與三線性調制器陣列465組合，以提供獨立調制的激光的3顏色線。有機激光器陣列300可包括多行激光發(fā)射器330、332、334等，在設置上某行包括紅發(fā)射器、其它行包括藍發(fā)射器，另一些行包括綠發(fā)射器。除了光泵浦照射系統(tǒng)不包括提供顏色順序操作的照射調制器555而是泵浦源連續(xù)提供光以外，有機激光器陣列300與圖8b提供的激光器陣列類似。來自給定顏色帶(例如綠色)的某行激光發(fā)射器330的光會聚在3線性調制器陣列465的一個調制器陣列上，而來自其它顏色的激光發(fā)射器行的光束分別會聚在其它調制器陣列上。在圖8d中，組合微透鏡陣列433和組合場微透鏡467組合使用來將光會聚在3線性調制器陣列465上。以適當同步的方式向每個調制器陣列提供各自顏色的圖像數(shù)據。然后3線性調制器陣列465通過成像透鏡在靶平面成像，該成像透鏡表示為兩個元件(場透鏡470a和成像透鏡470b)，其中掃描能夠重建整個二維的、3顏色圖像?？梢詥纹貥嫿?線性調制器陣列465，或者構建成具有3個近距離間隔的獨立調制器陣列460。
圖8a、8b和8c表示的成像系統(tǒng)圖示了使用一個或多個有機激光器陣列300與線性空間光調制器陣列460組合，以產生調制全色激光光線的設計概念。圖9a和9b更加完整地圖示了利用有機激光器陣列的成像系統(tǒng)在打印和投影顯示用途中的潛在應用。具體地，圖9a表示可用于打印的成像系統(tǒng)，其中打印頭600包括成像透鏡470，該成像透鏡470將線性空間調制器陣列460的圖像投射到感光介質620上。在機械框架605上構建的打印頭600橫向移動，而介質620由鼓610旋轉，以使圖像數(shù)據的打印條625寫入介質620上。為了簡化，有機激光器陣列300表示成由光源360光泵浦，然而在系統(tǒng)中可以使用圖7a到7g顯示的某些光泵浦照射系統(tǒng)。當然可替換的是，可使用電泵浦有機激光器陣列。為了利用單打印頭提供全色成像，該系統(tǒng)要求利用3個有機激光器陣列300的多通道方法，如圖8c所示，或者利用3線性調制器陣列465的系統(tǒng)，如圖8d所示，或者具有一個或多個有機激光器陣列300的顏色順序構造。
在上面的討論中，已經描述了本發(fā)明有機激光器陣列300的不同性質。最初，如圖4a和4b所示，討論了有機激光器陣列300的有利結構，其包括多行激光發(fā)射器，該激光發(fā)射器在陣列方向是多模的，在與交叉陣列方向是單模的。然后參照圖6a-6c討論所發(fā)射的激光的優(yōu)選光束輪廓。然后另一觀點是當光重疊時，為了最小化干涉條紋的影響，即使激光發(fā)射器標稱發(fā)射相同波長的光，有機激光器陣列300發(fā)射的激光在各個激光器之間相互也應是不相干(相位分離)的。隨后討論了有機激光器300的有利結構，其中給定的激光器陣列可從單一的器件提供恒定的顏色(所有綠激光光束)或者3原色的激光光束(RGB)。
可是，還需要形成一個觀點，其中有機激光器陣列300的設計對成像系統(tǒng)400的設計提供益處。在圖8b、8c和9b的在先示例中，彩色通道具有提供“紅”、“綠”或“藍”光的給定有機激光器陣列300。而且，已經給出的例子中代表性波長是630nm、540nm和460nm，其中這些激光波長中的每一個的一般帶寬典型是1.0nm。包括使發(fā)射器構圖、使器件構圖和選擇激光波長的能力的有機激光器陣列300的優(yōu)點比迄今描述的具有更大的可能性。當然，在許多可視的成像系統(tǒng)中，有利的是提供每個光譜帶的窄光譜寬度，這是因為色域的擴展以及放松了濾色片和棱鏡的技術要求。另一方面，如由于來自粗糙屏幕表面的散射，當相干激光自身干涉時，窄帶寬激光器(小于～3nm，特別是小于～1nm)能夠受斑紋的影響。斑紋是特殊的干涉影響，它可以顯著地降低均勻性。在使用光均勻化裝置，如蠅眼積分器或者積分棒的代表性光泵浦照射系統(tǒng)500中，當來自激光發(fā)射器的光束被分開或者自身重疊時，將發(fā)生干涉。如果來自有機激光器陣列300的相鄰激光發(fā)射器的光是相互不相干的，即使激光器波長標稱上是相同的，也可避免干涉。來自許多發(fā)射器的光的重疊將傾向于抵消斑紋?？墒牵瑢τ诰哂邢嗤瑯朔Q波長的相鄰發(fā)射器而言存在聚集在相互相干的組中傾向，對系統(tǒng)的影響是將放大激光斑紋。通過設計包括帶寬為4nm或者更大的激光發(fā)射器能夠進一步減小激光斑紋。然而，對于圖1-3描述的VCSEL結構，需要使用非常低精密度的微腔，這意味著由于通過鏡面的傳輸損耗造成高泵浦閾值密度。另外，通過將給定顏色的定義激光波長擴展為包括多個波長能夠減小斑紋。例如，綠光包括工作在多個波長的激光發(fā)射器，如540nm、545nm和550nm，優(yōu)選對于每個波長具有近似相等數(shù)量的激光發(fā)射器。優(yōu)選的是，激光波長約在這個10nm范圍內均勻變化。再參照示例圖8b、8c和9b，在給定的有機激光器陣列300中，標稱發(fā)射器波長在發(fā)射器之間可以是隨機或者周期性地變化的，或者在陣列上的組中變化，或者在行之間變化等。
還應該指出，有機激光器陣列300的設計，其中將兩種標稱激光波長控制在可見光光譜內，以及控制用于特定顏色光譜(分別為紅、綠和藍)的激光發(fā)射器的尺寸和數(shù)量，對顏色平衡提供了另外的優(yōu)點。具體地，能夠調節(jié)每種顏色的激光發(fā)射器328的數(shù)量，以及那些激光發(fā)射器的波長，以便提供如給定用途所需的理想的顏色平衡。例如，在打印用途中，如果介質620具有低的藍曝光感光度，則可能需要大量的藍發(fā)射器。
另外，圖9b表示成像系統(tǒng)400，與圖8c所示的類似，其中使用3個調制光學系統(tǒng)410來提供經過調制的3顏色可見激光光束作為3個顏色通道650a、650b和650c，然后通過合成棱鏡655將它們合成。在這種情況下，表示了柱狀目標掃描器，其中在成像透鏡470后設置一個電流計掃描器660。當電流計掃描器660通過其運動而擺動時，成像光被反射出電流計反射鏡665并在靶平面上掃描，以提供二維圖像。如果在該靶平面設置一個屏幕，那么成像系統(tǒng)400是投影顯示系統(tǒng)，但是如果提供了感光介質，那么成像系統(tǒng)400構成了打印系統(tǒng)。再次為了簡化，顯示了利用光源360的基本光泵浦，然而可在系統(tǒng)中使用圖7a到7g的某些更完整的光泵浦照射系統(tǒng)500。
至此，已經描述了如圖4a所示的有機激光器陣列300，其包括多行激光發(fā)射器330、332、334等，每行包括一連串激光發(fā)射器，如330a、330b、330c等，同時已經討論了在整個激光器陣列上構圖的各種模式結構和激光波長的各種組合，以便優(yōu)化以用于不同的用途和系統(tǒng)構造?？墒?，應該理解，有機激光器陣列300的結構在其它有效方式下可以變化。尤其是，如圖4c所示，有機激光器300可以包括“不定”長度的通用激光發(fā)射器328。在有關圖4b的在先討論中，所描述的通用激光發(fā)射器328具有長度(L)、寬度(w)和行內的發(fā)射器之間的間距(p)，以及激光發(fā)射器行之間的間距(p2)?？墒?，如果通用激光發(fā)射器328不構造成X方向的陣列圖案，而是在襯底310的幾乎整個長度無插入間隙地延伸，那么將形成如圖4c所示的有機激光器陣列300。例如，為在Y方向的單模發(fā)射和在X方向的多模發(fā)射制造的單個通用激光發(fā)射器328可以是寬度(w)＜1-5μm，長度(L)為20mm。所發(fā)射的激光在長的方向具有最小的空間相干性，甚至可以經歷成絲作用，從而降低了陣列方向的均勻性。如果來自單個通用激光發(fā)射器328的發(fā)射激光在X方向直接照射空間光調制器陣列460，或者沒有進行光均勻化的情況下直接成像，那么調制器陣列將經歷光輪廓的非均勻性，這就不太理想?？墒牵绻褂迷赬方向具有非常長的多模范圍的通用激光發(fā)射器328的多行(N行)激光發(fā)射器330、332、334等，與組合微透鏡陣列433和組合場透鏡430(兩者只在YZ平面具有光焦度)組合，以便重疊照射調制器陣列460，那么簡化的調制光學系統(tǒng)410將導致符合照射均勻化的需要。在這種簡化的系統(tǒng)中，組合微透鏡陣列433是一維的，在XZ平面沒有光焦度。另外，在陣列方向(相對調制器陣列的X方向)照射足夠均勻的情況下，將不需要蠅眼積分器440或者積分棒480來校正泵浦光源或者有機激光的輪廓非均勻性?？墒菫榱藢崿F(xiàn)這一點，多行330、332、334的通用激光發(fā)射器328在X方向不具有任何圖案誤差，如在激光發(fā)射器之間的相同系統(tǒng)位置處出現(xiàn)深的激光器非均勻性。然后，N行激光發(fā)射器重疊成像將平均化單獨發(fā)射器的光束輪廓，從而相當大程度上提供均勻照射和去除非均勻性的影響(取決于平均的行的數(shù)目N)。
還應該理解，盡管有機激光器陣列300通常表示成包括周期性間隔的激光發(fā)射器行(間距“p2”)，其中每行周期性包括一連串的周期性間隔(間距“p”)的激光發(fā)射器，激光發(fā)射器行和行內的激光發(fā)射器的位置可以隨機地、準隨機地、或者根據不同周期發(fā)生周期性變化。例如，圖4d表示了可替換示例的有機激光器陣列300的部分，其中激光發(fā)射器328構成間距“p”或者給定行的起始位置，在激光發(fā)射器的行之間變化。在這種情況下，當來自多行(N行)激光發(fā)射器的光被組合和重疊以泛光照射靶平面(此處存在調制器陣列460)時，引起的照射是足夠均勻的，而不用例如蠅眼積分器的均勻化光學裝置。激光發(fā)射器的長度(L)在激光發(fā)射器的行中也可以是變化的。同樣，作為有機激光器陣列300結構的另一示例，激光發(fā)射的標稱波長對于在行中形成的激光發(fā)射器或者行之間的激光發(fā)射器而言可以隨機或者非周期地變化。
為了簡化，圖示的各種系統(tǒng)都表示了線性空間光調制器陣列460作為透射器件。例如，調制器陣列460可以是透射式液晶顯示器(LCD)。而液晶顯示器是常見的，典型的器件是面陣列調制器，線性陣列調制器實際上未曾聽說。而且，大多數(shù)LCD由入射光的偏振狀態(tài)的變化來操作。盡管有機激光器陣列300設計為提供偏振激光，但是，所發(fā)射的激光通常不是偏振的。使來自有機激光器陣列300的光偏振，以使其與LCD成為一對，將會引起顯著的光損耗，除非還使用偏振轉換系統(tǒng)。因此，在這樣的情況下，設計有機激光器陣列300使激光發(fā)射器328產生偏振激光是優(yōu)選的。這可以通過發(fā)射器形狀的設計完成，以使例如發(fā)射器的形狀的不對稱能夠引起所發(fā)射光的偏振。另外，空間光調制器陣列460可以是不對稱的Fabry-Perot標準調制器，它是透射的調制器，在透射和反射狀態(tài)之間轉換。Worchesky等人的美國專利5,488,504描述了這種調制器。作為另一可替換的透射式調制器，可以使用Bozler的美國專利5,233,459描述的滾動MEMS光閘調制器，因為其也是在透射和反射狀態(tài)之間轉換。
盡管透射式調制器陣列對于保持成像系統(tǒng)400相對簡單是有利的，但是已經開發(fā)了更大范圍的有效反射式調制器技術，其能夠用于可見波長光的調制。這些器件通常使用MEMS技術制造，而不是電光的方式?？梢耘c這些系統(tǒng)中的有機激光器陣列300組合的可行反射式調制器陣列包括Hornbeck的美國專利5,535,047描述的數(shù)字反射鏡器件(DMD)、Bloom等人的美國專利5,311,360描述的光柵廣閥(GLV)、和Kowarz的美國專利6,307,663描述的保角光束調制器。對于這些反射式調制器，各種成像系統(tǒng)400，如圖9a所示的系統(tǒng)，需要適當?shù)馗淖円哉丈浞瓷涫秸{制器陣列，并收集調制的成像光。所調制的成像光被引導到成像透鏡470中，以使調制器陣列能夠成像在靶平面上。成像系統(tǒng)400可以是折疊的，以允許調制的成像光收集。另外，為了保持緊湊的機械設計，成像系統(tǒng)400可以改進以在反射式調制器陣列上將光束偏折出主光路，以及將調制的成像光發(fā)送回主光路中。對于光柵光閥，光學系統(tǒng)是具有空間濾光片的Schlieren型系統(tǒng)，該濾光片位于或者靠近傅立葉平面，以便區(qū)分調制的成像光和非成像光。用于空間濾光的傅立葉平面典型地在成像透鏡470內。對于數(shù)字反射鏡器件和保角光柵調制器，可以使用具有位于調制器陣列和成像透鏡470之間的空間濾光片的非Schlieren系統(tǒng)。
權利要求
1.一種有機垂直腔激光光束產生器件，包括a)襯底；b)在垂直于襯底的方向發(fā)射激光的多個激光發(fā)射器，其中所述多個激光發(fā)射器內的每個激光發(fā)射器在垂直于激光方向的第一軸上具有第一橫模結構，并在垂直于激光方向和所述第一軸的第二軸上具有第二橫模結構，每個激光發(fā)射器包括i)設置在襯底頂表面的第一反射鏡，其反射預定波長范圍的光；ii)用于產生激光的有機有源區(qū)；iii)有機有源區(qū)之上的第二反射鏡，其反射預定波長范圍的光；和c)泵浦裝置，其激勵所述多個激光發(fā)射器。
2.根據權利要求1所述的有機垂直腔激光器，其中在所述多個激光發(fā)射器內設置所述激光發(fā)射器以形成陣列，該陣列包括一個或多個平行的激光發(fā)射器行，其中在一個激光發(fā)射器行中，連續(xù)地設置一連串所述的激光發(fā)射器，從而在一個陣列方向上形成一行激光發(fā)射器；和其中在一個交叉的陣列方向連續(xù)設置所述平行的激光發(fā)射器行。
3.根據權利要求1所述的有機垂直腔激光器，其中所述第一橫模結構顯示多模的激光發(fā)射特性；并且其中每個所述激光發(fā)射器具有所述第二橫模結構，其顯示單模的激光發(fā)射特性。
4.根據權利要求2所述的有機垂直腔激光器，其中在每個所述平行的激光發(fā)射器行內，按照具有周期性模式的順序設置所述激光發(fā)射器，其中每個所述激光發(fā)射器的長度和每兩個相鄰的所述激光發(fā)射器之間的間隙沿給定行的整個范圍重復。
5.根據權利要求4所述的有機垂直腔激光器，其中所述周期性模式對于所有所述的平行激光發(fā)射器行都相同。
6.根據權利要求1所述的有機垂直腔激光器，其中由所述多個激光發(fā)射器發(fā)射的所述激光設置成在可見光光譜范圍內是變化的；其中每個所述激光發(fā)射器提供發(fā)射光譜帶寬內的給定標稱發(fā)射波長上的激光；并且其中對于多個激光發(fā)射器而言所述標稱發(fā)射波長在可見光光譜范圍內是可變化的，以使包含一個或多個所述激光發(fā)射器的一組激光發(fā)射器的給定標稱發(fā)射波長與包含一個或多個所述激光發(fā)射器的另一組激光發(fā)射器的給定標稱發(fā)射波長不同。
7.根據權利要求6所述的有機垂直腔激光器，其中由所述多個激光發(fā)射器發(fā)射的所述激光設置成在可見光光譜范圍內是變化的，以提供多個顏色的輸出；和其中所述多個激光發(fā)射器設置成3組激光發(fā)射器，第一組激光發(fā)射器發(fā)射光譜的藍色部分中的標稱波長的光，第二組激光發(fā)射器發(fā)射光譜的綠色部分中的標稱波長的光，第三組激光發(fā)射器發(fā)射光譜的紅色部分中的標稱波長的光。
8.根據權利要求2所述的有機垂直腔激光器，其中所述多個激光發(fā)射器設置成3組激光發(fā)射器，以覆蓋彩色光譜，第一組激光發(fā)射器發(fā)射光譜的藍色部分中的標稱波長的光，第二組激光發(fā)射器發(fā)射光譜的綠色部分中的標稱波長的光，第三組激光發(fā)射器發(fā)射光譜的紅色部分中的標稱波長的光。
9.根據權利要求8所述的有機垂直腔激光器，其中所述激光發(fā)射器發(fā)射從紅、綠、藍光譜中選擇的給定顏色光譜內的多個標稱波長的激光。
10.根據權利要求8所述的有機垂直腔激光器，其中覆蓋一部分彩色光譜的所述激光發(fā)射器組中的每個激光發(fā)射器組包括一個或多個激光發(fā)射器行，其中在給定激光發(fā)射器行內的所有所述的激光發(fā)射器發(fā)射給定顏色光譜內的標稱波長的激光。
全文摘要
一種有機垂直腔激光光束產生器件(10)包括襯底(20)。多個激光發(fā)射器(200)在垂直于襯底的方向發(fā)射激光。多個激光發(fā)射器內的每個激光發(fā)射器在垂直于激光方向的第一軸上具有第一橫模結構，并在垂直于激光方向和第一軸的第二軸上具有第二橫模結構。每個激光發(fā)射器包括設置在襯底(20)頂表面的第一反射鏡，其反射預定波長范圍的光。有機有源區(qū)(40)產生激光(350)。有機有源區(qū)之上提供第二反射鏡，其反射預定波長范圍的光。泵浦裝置激勵多個激光發(fā)射器。
文檔編號H01S5/42GK1717851SQ200380104061
公開日2006年1月4日 申請日期2003年11月3日 優(yōu)先權日2002年11月25日
發(fā)明者A·F·庫爾茨, M·W·科瓦茨, B·E·克魯施維茨, K·B·卡亨 申請人:伊斯曼柯達公司