專利名稱：具有可配置強度分布的激光器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)陣列的激光器裝置。垂直腔面發(fā)射激光二極管是最有希望的激光源之一旦與邊發(fā)射器相比提供很多優(yōu)勢，比如可尋址的2D-陣列布置、在片測試和圓形光束形狀。
背景技術(shù)：
已知小面積氧化物限制VCSEL發(fā)射高斯模式。較高的輸出功率能夠通過較大的有源區(qū)域?qū)崿F(xiàn)，但是發(fā)射變化為由傅立葉模式最佳地描述的分布。激光光束的近場填充激光器的整個泵浦有源區(qū)域或發(fā)射區(qū)域，該區(qū)域例如由氧化物孔徑的形狀、質(zhì)子注入的形狀、臺面形狀或激光二極管的接觸幾何結(jié)構(gòu)的形狀確定。因而有可能通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)置這些形狀在 大面積VCSEL的近場中產(chǎn)生不同形狀的強度分布，比如方形、圓形、橢圓或花瓣形狀。對于尤其是材料處理或醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的很多激光應(yīng)用，在工作平面中需要特定強度分布，例如，頂帽圓形或矩形形狀、線或環(huán)結(jié)構(gòu)。一些應(yīng)用要求沿著線方向尤其具有極好均勻性的均勻線形強度輪廓(profile)。實例是使用高達(dá)I. 5m且僅幾個mm厚的激光線的專業(yè)打印機中墨水的干燥。能夠應(yīng)用由ー個或若干透鏡陣列以及至少ー個傅立葉透鏡組成的光束均化器，以將激光束成形為所需的強度分布，但是其必須在光束中小心地對準(zhǔn)。再者，由于激光光束的相干性，可能出現(xiàn)不希望的假像。C. Singh等人在2004年12月9日至11日在嘻拉拉邦的科欽(Cochin)科學(xué)技術(shù)大學(xué)舉行的第17屆光電子、光纖和光子學(xué)國際會
議上的文章 LTff-P2- “Simulation and optimization of the intensity profile of
an optical transmitter for high-speed wireless local area networks” 公開 J 具有優(yōu)化強度輪廓的基于垂直腔面發(fā)射激光器陣列的多光束發(fā)射器。使用具有高斯強度輪廓的小面積VCSEL和陣列前方的特定矩陣型衍射元件，工作平面中各個VCSEL的強度分布部分地疊加以在工作或接收器平面中實現(xiàn)均勻的強度分布。在已知的激光器裝置中，必須使用且小心對準(zhǔn)特定光學(xué)器件以在工作平面中產(chǎn)生所需的強度分布。再者，在不替代激光器前方的整個光學(xué)器件的條件下，該強度分布不能切換到不同形狀。這要求用于這種激光器的每ー個應(yīng)用的量身定制的系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種激光器裝置，其允許在工作平面中產(chǎn)生所需強度分布而無需針對該強度分布或光束輪廓專門設(shè)計的光學(xué)器件。該目的使用根據(jù)權(quán)利要求I的激光器裝置實現(xiàn)。激光器裝置的有利實施例是從屬權(quán)利要求的主題且在說明書的后續(xù)部分中描述。所建議激光器裝置包括若干大面積VCSEL的陣列以及一個或更多光學(xué)器件，該ー個或更多光學(xué)器件設(shè)計且布置為將所述陣列的VCSEL的有源層成像到工作平面，使得陣列的所有VCSEL或VCSEL子組的有源層發(fā)射的激光輻射在工作平面中疊加。由于VCSEL的有源層到工作平面的這種成像，每個VCSEL的近場強度分布的圖像在工作平面中疊加，優(yōu)選地，近場強度分布的中心軸或中心在工作平面中一致或幾乎一致。在本上下文中，成像有源層的特征并不一定意味著產(chǎn)生銳利圖像。有源層的成像也可以導(dǎo)致工作平面中的非銳利圖像。大面積VCSEL是激光發(fā)射由傅立葉模式主導(dǎo)的VCSEL。這種大面積VCSEL典型地具有彡80 μ m2、優(yōu)選地彡300 μ m2的發(fā)射面積。不象小面積VCSEL，因為大面積VCSEL的近場強度分布能夠由VCSEL的發(fā)射區(qū)域或發(fā)射孔徑的幾何形狀確定，工作平面中疊加的場強度分布由這些形狀確定。因而，為了實現(xiàn)所需的強度分布，僅需要提供具有相應(yīng)形狀的發(fā)射區(qū)域或發(fā)射孔徑的VCSEL。因而僅通過提供具有不同形狀的發(fā)射區(qū)域或發(fā)射孔徑的VCSEL，能夠使用相同的光學(xué)器件在工作平面中產(chǎn)生不同強度輪廓。VCSEL陣列能夠在具有關(guān)于幾何參數(shù)的高精度的晶片級制造。因此，能夠高可靠地和可重復(fù)性地制造具有所需強度輪廓 的激光器裝置。本發(fā)明因而建議使用大面積VCSEL的屬性來創(chuàng)建激光輻射的調(diào)適的強度分布。若干VCSEL的近場在所需的工作距離成像。近場強度分布能夠由氧化物孔徑的形狀、質(zhì)子注入的形狀、臺面的形狀或VCSEL的接觸幾何結(jié)構(gòu)的形狀設(shè)置。相應(yīng)的形狀被調(diào)適到所需的強度分布，例如方形、矩形、圓形、橢圓形等。使用光學(xué)器件，激光的圖像在工作平面中交疊。光學(xué)器件能夠包括準(zhǔn)直來自單個激光器的發(fā)射的ー個或若干微透鏡陣列，和在工作平面中聚焦總激光輻射的一個或更多透鏡，以及改變或成形激光光束的其他光學(xué)元件。陣列可以包括具有相同形狀的近場強度分布的VCSEL或VCSEL的子組，這些近場強度分布然后在エ作平面中交疊以提供具有該形狀的強度分布。陣列還可以包括具有不同形狀的近場強度分布的VCSEL或VCSEL的子組，這些強度分布然后在工作平面中交疊以提供通過不同形狀的疊加確定的強度分布。在有利實施例中，激光器裝置包括獨立可切換的至少第一和第二垂直腔面發(fā)射激光器的陣列。第一 VCSEL設(shè)計為發(fā)射在近場中具有第一形狀的強度分布的激光光束。第二VCSEL設(shè)計為發(fā)射在近場中具有不同于第一形狀的第二形狀的強度分布的激光光束。通過使用具有不同形狀的近場強度分布的VCSEL的可尋址陣列，通過調(diào)節(jié)經(jīng)過不同VCSEL的驅(qū)動電流，能夠電學(xué)地切換且成形工作平面處的光束輪廓。這允許以簡單的方式切換工作平面中的激光光束輪廓。取決于該實施例的旨在應(yīng)用，陣列最小可以包括兩個不同的VCSEL，即在近場中具有不同形狀的強度分布的兩個VCSEL。工作平面中光束輪廓的形狀能夠在僅操作兩個VCSEL之ー時在這兩種形狀之間切換，或者在同時操作兩個VCSEL時切換到這兩種形狀的混合。很明顯也可以使用第一和第二 VCSEL中的ー個以上的VCSEL以增加激光器裝置的輸出功率。所有這些VCSEL可以是獨立可切換或分組可切換的，例如，一種類型的所有VCSEL和第二類型的所有VCSEL。為了增加工作平面中的強度分布的可能形狀，優(yōu)選地，在陣列中提供第三且甚至其他VCSEL，第三和其他VCSEL在近場中具有與第一和第二形狀不同且彼此不同的強度分布形狀。工作平面中所得的強度分布由同時操作的VCSEL的形狀和光學(xué)器件的放大率確定。在激光器裝置的另ー實施例中，提供具有匹配所需強度分布的發(fā)射區(qū)域形狀的η個大面積VCSEL以及靠近每個VCSEL安裝的η個微透鏡以及另外的m個場透鏡(n=a*m)以疊加VCSEL的n/m個子組中每個子組的圖像，其中a=2，3，4，···。該實施例中所得的強度分布是m個光斑,姆個光斑由在相應(yīng)時間操作的姆個子組的VCSEL的形狀和放大率確定。因而，在該實施例中，在每個子組上平均化強度分布。每個子組的所有VCSEL可以通過控制單元共同切換而與其他子組的VCSEL無關(guān)。不過，還可以共同切換陣列的所有VCSEL或者附加地允許子組的每個VCSEL的各自調(diào)光和/或切換。在激光器裝置的另一有利實施例中，光學(xué)器件被設(shè)計且布置為對并排的激光器的相鄰子組的有源層進(jìn)行成像，從而在工作平面中產(chǎn)生連續(xù)激光線。由每個子組形成的疊加圖像接觸或稍微交疊以形成連續(xù)線。優(yōu)選地，在這種情況中，每個子組的激光器設(shè)計為發(fā)射在近場中具有矩形或類似平行四邊形形狀的強度分布的激光光束，在將要形成的線的方向(稱為第一方向或X方向)中比在線寬度(line thickness)的方向(稱為第二方向或y方向)中具有更長延伸。在y方向中，需要強聚焦，同時很多獨立層的強度輪廓的強平均化和交疊是優(yōu)選的。為了實現(xiàn)在X方向中具有例如>lm的大延伸且在y方向中僅具有例如<5mm的小延伸的連續(xù)激光線，可以采取若干措施，這些措施還可以組合
一 y方向中的發(fā)射區(qū)域的小尺度和X方向中的大尺度，這對于具有細(xì)長形狀，例如具有縱橫比大于2:1的矩形形狀(或者也可以是平行四邊形形狀、不規(guī)則四邊形、三角形，···)的VCSEL是可能的；
一 y方向和X方向中各個VCSEL的中心之間的不同節(jié)距(=距離)；
一通過使用2個圓柱形透鏡陣列在兩個方向中的不同焦距，這兩個圓柱形透鏡陣列相對于彼此旋轉(zhuǎn)90°，且布置在到激光器的距離等于該陣列的焦距除以激光器和透鏡之間材料的折射率的距離處。在激光器裝置的另ー實施例中，光學(xué)器件包括微透鏡的陣列，所述微透鏡具有細(xì)長孔徑，尤其是橢圓或矩形孔徑，在第一方向中具有比在垂直于第一方向的第二方向中更長的延伸。在激光器裝置的另ー實施例中，光學(xué)器件包括在激光器和工作平面之間前后布置的圓柱形微透鏡的第一和第二陣列，第一陣列的圓柱形微透鏡取向為其圓柱軸垂直于第一方向，第二陣列的圓柱形微透鏡取向為其圓柱軸垂直于第二方向，第二方向垂直于第一方向，并且具有不同于第一陣列的圓柱形微透鏡的焦距，從而允許在第二方向中比在第一方向中更強的激光輻射的聚焦。在激光器裝置的另ー實施例中，圓柱形透鏡的陣列布置在微透鏡陣列和工作平面之間，使得在第一方向中實現(xiàn)階梯狀強度輪廓。在激光器裝置的另ー實施例中，光學(xué)器件包括微透鏡的陣列，所述微透鏡具有細(xì)長孔徑，尤其是橢圓或矩形孔徑，其在相對于第一方向>0°且<45°之間的角度具有較長延伸。在激光器裝置的另ー實施例中，光學(xué)器件包括在激光器和工作平面之間前后布置的圓柱形微透鏡的第一和第二陣列，第一陣列的圓柱形微透鏡取向為其圓柱軸與第一方向具有>45°且〈90°之間的角度，第二陣列的圓柱形微透鏡取向為其圓柱軸與第二方向具有彡45°且〈90°之間的角度，第二方向垂直于第一方向，并且具有不同于第一陣列的圓柱形微透鏡的焦距，以允許在第二方向中比在第一方向中更強的激光輻射的聚焦。在交疊疊加的圖像的情況中，設(shè)計每個子組的激光器以發(fā)射在近場中具有不同尺度的矩形形狀的激光光束是有利的，所述尺度被選擇為在工作平面中產(chǎn)生具有恒定中心部分和階梯狀遞減邊緣的疊加強度輪廓。這允許沿著線具有恒定強度的連續(xù)線的產(chǎn)生。代替產(chǎn)生連續(xù)線，每個子組的適當(dāng)形狀的疊加圖像也可以在工作平面中以2維方式并排投影、接觸或彼此稍微交疊，從而形成所需尺度和形狀的連續(xù)區(qū)域。產(chǎn)生連續(xù)激光線的這種激光器裝置能夠用于打印、卷對卷制造エ藝以及在垂直于線方向的方向中在加熱線下經(jīng)過的其他對象。實例是打印機中干燥線的產(chǎn)生，用于涂層、膠水的干燥/硬化，或者用于層壓、用于有料焊接(soldering)或塑料焊接或用于半導(dǎo)體退火。其他應(yīng)用是金屬或塑料的加熱、脫毛、皮膚治療或生產(chǎn)中膠水和油漆的干燥。在一個實施例中，VCSEL陣列前方使用的光學(xué)器件包括微透鏡的陣列以及微透鏡陣列前方的ー個或若干近場透鏡，每個微透鏡定位在相應(yīng)VCSEL的前方且與之靠近。光學(xué)器件可以包括用于陣列的所有VCSEL的相同放大率，但是也可以針對陣列的不同子組提供不同的放大系數(shù)。用于陣列的各個子組的不同放大系數(shù)例如可以通過微透鏡到有源層的不同半徑和距離實現(xiàn)。
在另ー實施例中，光學(xué)器件可以包括靠近每個VCSEL安裝的微透鏡陣列，其中到有源層的距離和微透鏡的焦距選擇為將VCSEL的形狀成像到工作平面。微透鏡相對于中心VCSEL軸或光束軸的離軸安裝允許在工作平面中疊加陣列或陣列的相應(yīng)子組的所有圖像。為了進(jìn)一步影響工作平面中的強度分布，光學(xué)器件可以設(shè)計為使得在工作平面中形成在VCSEL的近場中的非銳利圖像的強度分布。這可以通過調(diào)適微透鏡的半徑或距離實現(xiàn)，且得出用于相應(yīng)子組或陣列的模糊的(smeared out)且平滑的強度分布。這還允許正常頂帽強度分布的進(jìn)ー步修改。通過在VCSEL陣列的VCSEL的不同組合之間進(jìn)行切換獲得工作平面中強度分布的幾何形狀的切換。這可以通過單獨切換單個VCSEL或通過在VCSEL的不同子組之間進(jìn)行切換實現(xiàn)。因此，通過VCSEL或子組的單獨電學(xué)尋址，能夠在工作平面中產(chǎn)生不同強度分布。還可以連續(xù)調(diào)光單個VCSEL或子組。結(jié)果是所需強度輪廓的調(diào)節(jié)中的極大自由度。


在下文中，結(jié)合附圖通過實例的方式描述所建議激光器裝置，而不限制如權(quán)利要求所限定的保護(hù)范圍。附圖示出
圖I :VCSEL的近場強度分布的形狀的兩個實例；
圖2 :所建議激光器裝置的第一實施例的示意 圖3 :所建議激光器裝置的第二實施例的示意 圖4 :所建議激光器裝置的第三實施例的示意 圖5 :所建議激光器裝置的第四實施例的示意 圖6 :所建議激光器裝置的第五實施例的示意 圖7 :陣列的VCSEL的發(fā)射區(qū)域的實例性形狀；
圖8 :工作平面中的實例性強度分布；
圖9 :具有光學(xué)器件的堆疊激光器模塊和中間模塊的強度輪廓的實例；
圖10 :通過堆疊6個激光器模塊產(chǎn)生激光線的實例；
圖11 :不同光束輪廓的堆疊以及未對準(zhǔn)對于累積強度(integrated intensity)的影響；
圖12 :所建議激光器裝置的另ー實施例的示意 圖13 :用于產(chǎn)生階梯狀累積強度輪廓的矩形形狀的交疊的實例； 圖14 :所建議激光器裝置的另ー實施例的示意 圖15 :所建議激光器裝置的另ー實施例的示意 圖16 :所建議激光器裝置的另ー實施例的示意 圖17 :所建議激光器裝置的另ー實施例的示意 圖18 :所建議激光器裝置的另ー實施例的示意圖；以及 圖19 :所建議激光器裝置的另ー實施例的示意圖。
具體實施例方式近場中大面積VCSEL的強度分布能夠由VCSEL的氧化物孔徑的形狀、質(zhì)子注入的形狀、臺面的形狀或VCSEL的接觸幾何結(jié)構(gòu)的形狀設(shè)置。圖I示出使用不同形狀的氧化物孔徑實現(xiàn)的近場中的這種強度分布的兩個實例。在左手邊，圓形形狀是通過圓形氧化物孔徑實現(xiàn)的。在右手邊的花瓣形強度分布是通過具有相同形狀的氧化物孔徑實現(xiàn)的。兩個實例的強度輪廓是相當(dāng)均勻的，且具有僅稍微被干涉圖案(在圖中未示出)調(diào)制的用于大角度傅立葉模式的鋭利邊緣。在所建議激光器裝置中使用具有上述兩種形狀的氧化物孔徑的兩個大面積VCSEL，通過僅在兩個VCSEL之間進(jìn)行切換，有可能在工作平面中在這兩種形狀的強度輪廓之間切換強度分布。當(dāng)同時操作兩個VCSEL時，實現(xiàn)兩個疊加的強度輪廓的強度輪廓。取決于在陣列中使用的VCSEL的泵浦區(qū)域的形狀，僅通過各個VCSEL的適當(dāng)電學(xué)控制，能夠使用所建議激光器裝置產(chǎn)生多種不同形狀的強度輪廓。工作平面中不同形狀的強度輪廓之間的切換不需要VCSEL陣列的前方的光學(xué)器件的任何改變。圖2以示意圖示出所建議激光器裝置的實施例。激光器裝置由單片集成在襯底102上的大面積VCSEL 101的陣列組成。激光的發(fā)射使用微透鏡陣列201準(zhǔn)直，其中VCSEL的有源層和微透鏡之間的距離401等于這些微透鏡的有效焦距。第二透鏡202在工作平面501上組合在等于其焦距的距離402中的圖像。圖像的放大率通過微透鏡和第二透鏡202的焦距的比例設(shè)置。單個VCSEL的發(fā)射區(qū)域的形狀確定了工作平面501中的強度輪廓。通過適當(dāng)?shù)剡x擇這些VCSEL的形狀，能夠在工作平面中產(chǎn)生所需的強度輪廓。另外，當(dāng)將VCSEL陣列的至少兩個VCSEL 101選擇為具有不同形狀的氧化物孔徑或?qū)е陆鼒鲋胁煌螤顝姸确植嫉钠渌卣?，并且是獨立可切換時，這兩個強度分布之間的切換能夠通過在這些激光器之間進(jìn)行切換實現(xiàn)。在根據(jù)圖3的所建議激光器裝置的另ー實施例中，第二透鏡集成在包括微透鏡的襯底203上。如在圖3中針對兩個激光器裝置實例性示出，這種配置還允許若干激光器裝置的堆疊。整個激光器裝置則包括VCSEL 101的兩個子組。用于每個子組的近場光學(xué)器件將其VCSEL的強度分布成像到工作平面501處不同于其他子組位置的ー個位置。通過獨立尋址每個子組，例如可以實現(xiàn)打印應(yīng)用。圖4示出其中使用啁啾的微透鏡陣列204的所建議激光器裝置的另ー實施例。該啁啾的微透鏡陣列具有單個透鏡之間的節(jié)距，該節(jié)距稍小于VCSEL陣列的VCSEL 101之間的節(jié)距。距離403使得每個微透鏡在距離404中成像ー個激光。由于啁啾，工作平面中的所有圖像交疊到單個圖像511，且強度分布由所有近場的總和給出，其是稍微模糊的，因為圖像并不位于平行平面上。圖5示出所建議激光器裝置的另一實施例。在該實施例中，微透鏡陣列205通過鍵合肓接安裝在激光器襯底102上。使用該措施，因為可以通過晶片級工藝完成制造，對準(zhǔn)努力和成本減小。在所建議激光器裝置的甚至更多樣化的實施例中，提供形狀不同且可選地大小也不同的發(fā)射區(qū)域的VCSEL的若干子組111至114，其可以通過控制單元601單獨尋址。通過調(diào)節(jié)不同子組的功率水平，能夠設(shè)置工作平面中的所需強度分布520。在該實例中，子組111至114中的不同VCSEL的泵浦區(qū)域的形狀在圖7中示出。附圖示出泵浦區(qū)域的4種不同的形狀121至124，以及因而VCSEL的近場中強度分布的不同形狀。使用該實例，能夠?qū)崿F(xiàn)從在頂帽分布522上的階梯高斯?fàn)罘植?21變化到浸潰的頂 帽523的圓形光束輪廓，在中心區(qū)域中具有較少的或甚至沒有強度(見圖8)。工作平面520中的這些不同的強度分布521至523僅能夠通過適當(dāng)?shù)乜刂撇煌咏M111至114實現(xiàn)。當(dāng)然，通過選擇方形或矩形、圓形或橢圓形泵浦區(qū)域以及這些形狀的VCSEL的發(fā)射區(qū)域，其他并且更復(fù)雜的強度圖案是可能的。而且，很多其他形狀對于大直徑激光器工作非常良好。為了改善陣列的不同VCSEL的控制，能夠測量源于每個子組的功率水平且將其供應(yīng)到控制單元的反饋環(huán)路。例如可以通過時間復(fù)用或通過分裂每個光束的一小部分測量功率水平。使用該措施，能夠精確地控制工作平面中的強度分布。用于激光的一些應(yīng)用要求均勻線形強度輪廓，其意味著具有高邊長比的頂帽矩形輪廓。應(yīng)用能夠是金屬或塑料的加熱、脫毛、皮膚治療或生產(chǎn)中膠水和油漆的干燥。從具有衍射光學(xué)元件(DOE)的高功率激光器形成的激光線在有用大小方面以及另外在均勻性方面存在限制。另外，在不改變DOE的條件下，這種裝置無法按比例縮放。從光纖耦合二極管激光器條形成的激光線具有非?？量痰恼{(diào)節(jié)容差且十分昂貴。使用根據(jù)本發(fā)明的裝置，能夠以簡單方式產(chǎn)生這種激光線。用于該任務(wù)的激光器裝置的陣列包括VCSEL的很多相鄰子組。每個子組創(chuàng)建作為激光線的一部分的激光輻射的均勻強度分布。在這種情況中，陣列的單個子組可以由各個激光器模塊103形成，每個模塊包括VCSEL的陣列。工作平面中強度分布524的尺度X2和y2由激光器模塊103的激光器發(fā)射區(qū)域的大小和形狀、每個激光器前方的微透鏡的焦距、以及宏觀透鏡206 (見圖9)的焦距確定。X2應(yīng)當(dāng)大于一個激光器模塊103的長度X1，使得輪廓能夠彼此在旁邊堆疊，形成連續(xù)激光線525，如針對6個激光器模塊103在圖10中所示。這允許閉合堆疊的激光器模塊103之間的縫隙，這對于電連接、冷卻和光學(xué)器件底座等是必須的。強度或更精確而言在y方向中的累積強度的均勻性對于實現(xiàn)工作件上的均勻溫度輪廓是十分重要的。因為具有陡峭邊緣的強度輪廓需要用于堆疊的苛刻調(diào)節(jié)容差，優(yōu)選地產(chǎn)生允許更大容差的特定強度輪廓。這能夠是在X方向中具有階梯狀邊緣的平行四邊形強度輪廓或矩形輪廓(關(guān)于強度)，因為強度分布中的交疊峰值或空洞在X方向中在較長距離上被模糊化。這在圖11中實例性示出，其中對于簡單矩形和平行四邊形強度輪廓526，示范了不同光束輪廓526 (工作平面中的強度分布)的堆疊和未對準(zhǔn)對于累積強度的影響。能夠使用不同的技術(shù)實現(xiàn)沿著激光線的均勻強度分布。第一技術(shù)是使得VCSEL的發(fā)射區(qū)域形成為平行四邊形(或三角形)，這在制造VCSEL陣列時在晶片的處理期間容易完成。很多VCSEL 101在一個襯底102上組合。由于大面積VCSEL 101的特定屬性，發(fā)射區(qū)域被均勻地填充。每個激光器的光通過具有的焦距401為的微透鏡陣列201而被準(zhǔn)直，且然后激光器模塊的近場成像在具有的焦距402為f2的透鏡202的焦平面上，如圖12所示。單個激光器的發(fā)射面積乘以放大率M=f2/fi必須大于在X方向中的激光器模塊的大小，以使模塊之間縫隙閉合。通過在具有不同焦距fx和fy的兩個圓柱形透鏡中分離透鏡202(例如見圖9和10)，y方向中的光束的大小能夠更大或更小(優(yōu)選地對于細(xì)線而言更小)。激光線525的長度通過彼此相鄰堆疊很多激光器模塊設(shè)置。第二技術(shù)是通過交疊在X方向中具有不同長度％的矩形發(fā)射區(qū)域的很多激光器，產(chǎn)生具有階梯狀邊緣的強度分布。為了有利于電學(xué)驅(qū)動器，所有激光器應(yīng)當(dāng)具有相同大小的發(fā)射區(qū)域，即Bi . bi=常數(shù)，且因此具有相同的閾值電流和電壓曲線。在圖13中給出了一個實例。具有不同邊長％和bi但是具有相同發(fā)射區(qū)域大小A=^bi的不同矩形形狀的發(fā)射區(qū)域701的VCSEL的近場的圖像在工作平面中交疊(見交疊強度分布527)。y方向中的 累積強度則是階梯狀輪廓，階梯的階梯高度I等于IDjNjIsingle,其中Ni是具有該形狀的單個激光器的總數(shù)，且Isingle是一個激光器的強度。差值A(chǔ)ai=ai-ai+1對于所有i應(yīng)當(dāng)是相等的。通過將數(shù)目Ni的比例與長度bi=A/ai的比例進(jìn)行匹配，能夠在所有位置實現(xiàn)相同的強度階梯。在第二技術(shù)的變型中，通過交疊在X方向中具有不同長度且具有相同長度b的矩形發(fā)射區(qū)域的很多激光器，形成具有階梯狀邊緣的強度分布。這導(dǎo)致具有較平滑邊緣的激光線。在這種情況中，為了獲得用于驅(qū)動激光器的相同的閾值電流和電壓曲線，選擇具有相同大小的電學(xué)并聯(lián)發(fā)射區(qū)域的激光器組以及每一組的激光器的數(shù)目，使得每一組具有相同大小的總發(fā)射面積，該總發(fā)射面積是每一組的激光器的發(fā)射面積的總和。例如，每個均具有大小為A1的發(fā)射面積的10個激光器的組并聯(lián)連接，每個均具有大小為A2的發(fā)射面積的12個激光器的組并聯(lián)(A2=SZ^A1),等等。在下文中，描述用于產(chǎn)生連續(xù)激光線的所建議激光器裝置的其他實施例。這些實施例的基本構(gòu)成包括
-VCSEL 101的陣列，其能夠是焊接在陣列配置、單片VCSEL陣列或若干單片VCSEL陣列中的獨立VCSEL ；
一微透鏡陣列201，207，208，具有位于每個VCSEL 101前方的透鏡以準(zhǔn)直從該VCSEL發(fā)射的輻射；以及
一圓柱形透鏡(第二透鏡202)，以將輻射向下聚焦到工作平面501的工作距離中的所需線寬度D上。線寬度D由D=CWyf1確定，d是在y方向中各個VCSEL的尺度，f:是微透鏡的焦距，以及f2是圓柱形透鏡的焦距。微透鏡的焦距由VCSEL的發(fā)散角0和兩個獨立VCSEL的中心之間的節(jié)距P (=距離)限制，因為它們的輻射在微透鏡的平面中不交疊。各個微透鏡的孔徑理想地等于節(jié)距或稍小。為了同時實現(xiàn)窄線和大工作距離，VCSEL的尺度d應(yīng)當(dāng)小且VCSEL之間的節(jié)距p應(yīng)當(dāng)大以允許大焦距f\。為了實現(xiàn)焦點中的高強度，若干VCSEL在由第二透鏡的開口限定的y方向中堆疊。在X方向中，情況完全不同。為了獲得較不依賴于各個激光器的故障或激光器或光學(xué)器件的未對準(zhǔn)的均勻強度分布，希望在激光線上每一點中交疊盡可能多的激光器的輻射。因此，在微透鏡陣列之后希望大發(fā)散角，這意味著在X方向中的VCSEL的大尺度I和允許小節(jié)距的短焦距。使用由具有圓形或二次型(quadratic)孔徑的球形透鏡組成的微透鏡陣列，對于兩個方向，節(jié)距和焦距必須相同，但是VCSEL的尺度可以不同。這種實施例在圖14中示出，其中圖14A表示在y方向中的視圖，圖14B表示在X方向中的視圖。如在圖2的實例中，激光器裝置由單片集成在襯底102上的大面積VCSEL 101的陣列組成。激光器的發(fā)射使用微透鏡陣列201準(zhǔn)直，其中VCSEL的有源層和微透鏡之間的距離401等于這些微透鏡的有效焦距。在該實例中，第二透鏡202是組合了在工作平面上等于其焦距的距離402處圖像的圓柱形透鏡。對于給定工作距離，圓柱形透鏡(第二透鏡202)的焦距f2固定。激光線525的所需線寬D則給出比例(Vf1或d/p。由于熱原因，小d和小節(jié)距p的組合是優(yōu)選的，但是d應(yīng)當(dāng)大于10 y m以獲得近場中的均勻強度輪廓。對于微透鏡的給定節(jié)距p或者直徑，VCSEL的另一尺度I做得盡可能大(見圖14A)，使得輻射在X方向中填充微透鏡的整個孔徑。在y 方向中，并不使用透鏡的全部孔徑(見圖14B)。這能夠通過使用具有相同焦距但是其長軸取向在X方向中的橢圓或矩形孔徑的微透鏡優(yōu)化。于是激光器的節(jié)距能夠針對兩個方向不同，與在X方向中的節(jié)距px相比，在y方向中具有較小的節(jié)距Py，使得發(fā)射在兩個尺度中填充整個孔徑。這導(dǎo)致在y方向中的較高數(shù)目的激光，因此導(dǎo)致激光器模塊的較高的功率密度。這種實施例在圖15中示出，其中圖15A表示在y方向中的視圖，圖15B表示在X方向中的視圖。在微透鏡之后的發(fā)散角0’取決于VCSEL尺度和焦距的比例，發(fā)散角能夠針對兩個方向而不同。在y方向中，e’y=d/f應(yīng)當(dāng)小以允許在具有大工作距離的小線上的聚焦，而9 ’ x = Uf1應(yīng)當(dāng)大，以用于在X方向中各個激光光束的強混合。通過使用在兩個方向中具有不同孔徑的微透鏡陣列，通過具有與VCSEL的大I相組合的大孔徑ax和具有與VCSEL的小d相組合的小孔徑ay實現(xiàn)這兩個需求。VCSEL 101的細(xì)長設(shè)計和微透鏡陣列201的微透鏡的相關(guān)細(xì)長孔徑能夠在圖15A/B中識別。在另一實施例中，如圖16所示使用前后布置的2個圓柱形微透鏡陣列207、208。圖16A表不在y方向中的視圖，圖16B表不在X方向中的視圖。第一陣列207的圓柱形微透鏡垂直于第二陣列208的圓柱形微透鏡取向。這允許針對兩個方向的不同焦距(對應(yīng)于不同距離405，406)且因此增加了設(shè)置發(fā)散角0'和e’y的可能性。如圖16A/B所示，第一和第二圓柱形微透鏡陣列207、208可以是兩個獨立的透鏡陣列或者是在相對位置上具有透鏡陣列的一個襯底。襯底的厚度由焦聚和中的差異除以襯底的折射率確定。
盡管在上述實施例中，微透鏡的細(xì)長孔徑的長軸取向在X方向中，且微透鏡的交叉陣列的圓柱軸垂直或平行于X方向取向，這些軸也可以相對于X方向傾斜< 45°的角度(繞z軸旋轉(zhuǎn)，垂直于X和y方向)。使用這種措施，能夠沿著激光線產(chǎn)生特定強度分布。當(dāng)使用激光器模塊103時，由于例如VCSEL芯片的大小、底座、光學(xué)器件、熱沉等制造或安裝限制，將出現(xiàn)縫隙。如已經(jīng)參考圖9和10所解釋，這些縫隙能夠在強度輪廓中引入干擾均勻性的凹陷。在所建議激光器裝置中，縫隙節(jié)距g(=縫隙周期)匹配于工作平面上各個激光器的強度輪廓在X方向中的大小1’，該大小由微透鏡之后的發(fā)散角0 ’x以及激光器與工作平面之間的距離S近似給出。這在圖17中示意性示出。對于長度l’=tan(0 ’)*S，縫隙節(jié)距g應(yīng)當(dāng)是I’ /N，N是任意整數(shù)。當(dāng)僅僅在工作平面中精確地滿足條件g=r時，強度輪廓將隨著其遠(yuǎn)離工作平面而變得越來越不均勻。我們定義景深(depth of focus)為距工作平面的最大距離A z，在該距離中滿足對于均勻性的需求。為了進(jìn)一步提高均勻性、景深和對準(zhǔn)容差，不同于矩形形狀的VCSEL的形狀被選擇，以給出取代頂帽輪廓的平滑累積強度輪廓。這種形狀已經(jīng)結(jié)合圖11描述。這些形狀可以是例如平行四邊形、不規(guī)則四邊形、三角形、六邊形或菱形。強度輪廓的肩部越大，對準(zhǔn)容差和景深越大。圖18中示出所建議激光器裝置的另一實施例。在該實施例中，添加了在X方向中的C圓柱形透鏡的陣列209，圓柱形透鏡具有等于透鏡陣列到工作平面的距離402的焦距f2，x。這在具有C個階梯的邊緣給出激光線525的階梯狀強度輪廓，其中C可以等于在X方向中激光器的數(shù)目Nx或等于Nx除以整數(shù)。在另一實施例中，圓柱形透鏡的這種陣列209還可以傾斜(繞z軸旋轉(zhuǎn)某一角度) 或被具有相同焦距和方形或矩形孔徑的NyXC個圓柱形透鏡的陣列替代(Ny是在y方向中的激光器的數(shù)目)。前一實施例中的各個透鏡209分裂成Ny個部分，且在y方向中從VCSEL到VCSEL在X方向中稍微偏移。圖19中示出所建議激光器裝置的另一實施例。在該實施例中，使用啁啾的微透鏡陣列204 (或等價的啁啾的激光器陣列)，使得僅透鏡的1/K部分相對于激光器居中，K=NX/N(n=l, 2，3，…)。其他組微透鏡相對于激光偏移不同距離，使得所有圖像在工作平面上等距且激光器模塊103之間的縫隙節(jié)距g導(dǎo)致的縫隙被閉合。所建議激光器裝置的(多個)微透鏡陣列可以安裝在其上焊接了 VCSEL陣列的相同絕緣底座上的柱子上。所建議激光器裝置的(多個)微透鏡陣列也可以直接鍵合/焊接/膠合到VCSEL陣列。當(dāng)使用激光器模塊時，若干模塊優(yōu)選地安裝在公共軌道上，該公共軌道包括通過公共軌道的冷卻支撐。盡管在附圖和上述描述中詳細(xì)說明和描述了本發(fā)明，這種說明和描述被認(rèn)為是說明性或?qū)嵗远窍拗菩缘?。本發(fā)明不限于公開的實施例。上面和權(quán)利要求書中描述的不同實施例還能夠組合。通過對附圖、公開內(nèi)容和所附權(quán)利要求的學(xué)習(xí)，實踐所主張的本發(fā)明的本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解且料想對公開實施例的其他變型。例如，陣列中使用的VCSEL和/或子組的數(shù)目沒有限制。VCSEL可以設(shè)計為提供工作平面中需要的近場中的任意形狀的強度分布。將要在工作平面中組合的不同形狀的數(shù)目僅依賴于所需的應(yīng)用。再者，為了實現(xiàn)近場中所需幾何形狀的強度分布的措施也不限于公開的實例。在權(quán)利要求中，用詞“包括”不排除其他元件或步驟，且不定冠詞“一”或“一個”不排除多個。在相互不同的從屬權(quán)利要求中陳述措施這一純粹事實并不表示這些措施的組合不能有利地使用。權(quán)利要求中的參考符號不應(yīng)解讀為限制這些權(quán)利要求的范圍。參考符號列表
101VCSEL
102襯底
103激光模塊 111-114 VCSEL 的子組 121-124近場中強度分布的形狀201微透鏡陣列
202第二透鏡
203具有微透鏡的襯底
204啁啾的微透鏡陣列
205襯底上的微透鏡陣列
206宏觀透鏡 207第一微透鏡陣列
208第二微透鏡陣列
209圓柱形透鏡陣列
401有源層和微透鏡之間的距離
402工作平面和第二透鏡之間的距離
403有源層和微透鏡之間的距離
404微透鏡和工作平面之間的距離
405有源層和第一微透鏡陣列之間的距離
406有源層和第二微透鏡陣列之間的距離501工作平面
511工作平面中的圖像
520工作平面中的強度分布521-524工作平面中的強度分布
525激光線
526光束輪廓
527交疊的強度分布601控制單元
701發(fā)射區(qū)域的形狀。
權(quán)利要求
1.一種激光器裝置，包括 一若干大面積垂直腔面發(fā)射激光器(101)的陣列，所述激光器(101)中的每一個包括發(fā)射激光輻射的有源層，以及 一一個或更多光學(xué)器件(201，202)，其設(shè)計且布置為將所述陣列的激光器(101)的有源層成像到工作平面(501 )，使得陣列的所有 激光器(101)或激光器(101)子組的有源層發(fā)射的激光輻射在工作平面(501)中疊加。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光器裝置， 其中所述激光器(101)中的至少一些設(shè)計為發(fā)射在近場中具有不同形狀的強度分布(121-124)的激光光束，所述激光器(101)包括不同幾何形狀和/或不同直徑的發(fā)射區(qū)域或發(fā)射孔徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光器裝置， 其中所述陣列至少包括通過控制單元(601)獨立可切換的第一和第二垂直腔面發(fā)射激光器(101)， 一所述第一激光器設(shè)計為發(fā)射在近場中具有第一形狀的強度分布(121-124)的激光光束， 一所述第二激光器設(shè)計為發(fā)射在近場中具有不同于第一形狀的第二形狀的強度分布(121-124)的激光光束。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光器裝置， 其中所述陣列包括至少一個或若干其他垂直腔面發(fā)射激光器(101)，該激光器(101)通過控制單元(601)獨立可切換且設(shè)計為發(fā)射在近場中具有與第一和第二形狀不同的一個或若干其他形狀的強度分布(121-124)的激光光束。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光器裝置， 其中所述光學(xué)器件(201，202 )包括微透鏡(201)的陣列以及一個或若干場透鏡(202 )。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光器裝置， 其中所述光學(xué)器件(201，202)包括微透鏡(204)的陣列，所述微透鏡相對于激光器(101)的光束軸離軸地布置。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光器裝置， 其中所述陣列包括η個垂直腔面發(fā)射激光器(101)且所述光學(xué)器件(201，202)包括η個微透鏡以及m個場透鏡(202)，其中n=a*m，a=2，3，…，每個微透鏡布置在激光器(101)的前方且每個場透鏡(202)布置為將激光器(101)的子組的強度分布成像到工作平面，使得該子組的所有激光器(101)的所述強度分布在工作平面(501)中的某一位置疊加，不同子組的位置彼此不同。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光器裝置， 其中所述光學(xué)器件(201，202)設(shè)計為在工作平面(501)中產(chǎn)生有源層的非銳利圖像。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光器裝置， 其中所述光學(xué)器件(201，202)設(shè)計且布置為成像并排的、優(yōu)選地部分交疊的激光器(101)的相鄰子組的有源層，從而在工作平面(501)中產(chǎn)生連續(xù)激光線(525)或激光區(qū)域，所述激光線(525)在第一方向中延伸。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的激光器裝置，其中每個子組的所述激光器(101)設(shè)計為發(fā)射在近場中具有細(xì)長形狀、尤其是具有矩形或類似平行四邊形形狀的強度分布的激光光束，所述細(xì)長形狀在第一方向中比在垂直于第一方向的第二方向中具有更大的延伸。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的激光器裝置， 其中每個子組的所述激光器(101)設(shè)計為發(fā)射在近場中具有不同尺度的矩形形狀的激光光束，所述尺度選擇為在工作平面(501)中產(chǎn)生具有恒定中心部分和沿著激光線(525)的階梯狀遞減邊緣的疊加累積強度輪廓。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光器裝置， 還包括用于控制每個激光器(101)子組的功率的控制單元(601)，和連接到控制單元(601)的測量單元，測量單元設(shè)計且布置為測量各個子組的功率水平以提供用于控制單元(601)的反饋。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的激光器裝置， 其中所述光學(xué)器件(201，202)設(shè)計為將每個子組的所有激光器(101)的有源層成像為在工作平面(501)的在第二方向中精確重疊，該第二方向垂直于第一方向。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光器裝置， 其中所述光學(xué)器件(201，202)設(shè)計為在垂直的各方向中提供不同放大系數(shù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的激光器裝置， 其中激光器(101)的所述子組或激光器(101)的所述子組的組在第一方向中通過縫隙彼此分離，且所述光學(xué)器件(201，202)設(shè)計為將每個子組的激光器(101)的有源層成像到工作平面(501)的第一方向中的圖像大小，該圖像大小是縫隙周期的整數(shù)倍。
全文摘要
本發(fā)明涉及包括若干大面積VCSEL(101)的陣列以及一個或若干光學(xué)器件(201，202)的激光器裝置，該一個或若干光學(xué)器件(201，202)設(shè)計且布置為將所述陣列的VCSEL(101)的有源層成像到工作平面(501)，使得陣列的所有VCSEL(101)或VCSEL(101)子組的有源層發(fā)射的激光輻射在工作平面(501)中疊加。所建議激光器裝置允許在工作平面中產(chǎn)生所需的強度分布，而無需針對該強度分布或光束輪廓專門設(shè)計的光學(xué)器件。
文檔編號H01S5/42GK102742100SQ201080036805
公開日2012年10月17日 申請日期2010年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月20日
發(fā)明者H.明希, S.格羅嫩博恩 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司