CN102405568A - 借助表面发射半导体装置的数字热注入 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于借助并入例如表面发射装置的特殊类别的半导体激光器而用数字方式将热注入到宽广范围的产品中的方法及系统。此技术涉及一种实践直接注入合意地匹配特定材料在指定波长下的吸收规格的窄带辐射能量的现有技术的更具体、经济及有利的方式。

Description

借助表面发射半导体装置的数字热注入
相关申请案交叉参考
本申请案基于以下申请案且主张其优先权：2009年7月10日提出申请的第61/224,765号美国临时申请案及2009年3月5日提出申请的第61/157,799号美国临时申请案，所述临时申请案两者以全文引用的方式并入本文中。
以引用方式并入：
第7,425,296号美国专利、2006年7月7日提出申请的第11/448,630号美国专利、2008年7月9日提出申请的第12/135,739号美国专利及2009年3月5日提出申请的第61/157,799号美国临时专利申请案特此以全文引用的方式并入本发明中。
技术领域
本发明大体来说涉及一种借助特殊类别的半导体激光器(在一种形式中，为表面发射装置)的新颖并入而用数字方式将热注入到宽广范围的产品中的新颖方法。本发明涉及一种实践直接注入合意地匹配特定材料在指定波长下的吸收规格的窄带辐射能量的现有技术的更具体及有利的方式。
背景技术
第7,425,296号美国专利(上文已识别)及相关专利族中全面地描述了用于实践现有技术的一般技术。以上专利族大体教示一种称为通过吸收光谱匹配进行的窄带数字热注入或者简单地说数字热注入或DHI的技术。必须充分理解的重要DHI概念是使辐照波长与目标具有对于所期望应用结果为最合意的吸收系数所处的特定波长匹配的概念。由于每一类型的材料均具有其自身的由其分子构成的原子吸收特性导致的独特吸收光谱，因此有必要获悉对于待借助DHL处理的任何给定目标材料吸收光谱曲线看上去为何样的。表示每一辐照波长的完整吸收系数集合的点轨迹将构成所述材料的完整吸收曲线。完整光谱吸收曲线经常称为光谱曲线或其它简称。随着实践者简化DHI技术以针对给定应用实际上进行实践，存在要考虑的宽广范围的事物，如上文所提及的′296专利族中更完整地描述。
尽管术语窄带恰当地适用于所有DHI应用，但一些应用比其它应用更加关键。举例来说，在一些应用中，二百或三百纳米的带宽可窄到足以匹配给定产品的吸收曲线的特定区。尽管每一种不同材料或化合物均具有其自身的特有吸收曲线形状，因此其经常在曲线的一部分中缓慢地改变形状或在曲线的其它部分中急剧地改变形状。
由于每一不同类型的材料均具有其自身的特有曲线形状，因此难以进行概括，但尽管一些材料将具有平缓改变的吸收曲线，但许多其它材料的吸收曲线具有在UV与长红外线之间的某一地方具有快速或急剧改变的形状的区。这些区将为吸收曲线中具有非常陡峭的斜率使得波长的小改变等同于吸收系数的非常大的改变的区。举例来说，匹萨面团、水、香肠及奶酪在900纳米到1500纳米范围中全部具有活跃且快速改变的曲线，其中存在小于50纳米的波长改变将得出3X到5X的吸收系数差的点。存在吹塑饮料与食品容器的其它材料，例如聚对苯二甲酸乙二酯(或PET)材料，所述材料的吸收曲线具有极陡峭的若干部分。将此陡峭曲线上的确切点作为目标以便利用对于以所期望方式加热所述材料来说为最优的确切吸收系数需要可在为高度可重复的非常高的波长精度水平上经济地制造的激光装置。类似地，如果设法击中吸收曲线(通常使用y轴上的吸收及x轴上的波长绘制而成)中的窄峰值或谷值，还需要波长精度。在此情况下从所期望中心波长的波长变化的惩罚意味着，辐照将错过峰值且实际上用将在实质上不同于计划的吸收下的能量击中目标。结果将需要实现所期望加热或能量沉积所需的能量量的大改变。
数字热注入的另一概念涉及在涉及多种不同材料类型时选择用于所期望结果的波长。举例来说，选择具有至少一种波长的材料，在多少波长下，两种材料均具有合意地不同的吸收。当一种材料在在另一种材料为高吸收性所处的波长下为高透射性时，可借助最小加热射击穿过第一透射材料的能量同时借助所期望水平的加热实现第二材料的实质吸收。此概念可针对两种以上材料延伸，但波长精度水平可甚至进一步上升。还可使用添加剂，其诱发高吸收峰值以增强此概念的可用性，但其可进一步需要高水平的波长选择及精度以实现所期望的系统结果。
DHI技术后面的重要且通常非常基本的概念涉及选择恰当波长以在目标中具有恰好所期望的吸收量。如上文所指示的′296专利族中已教示，数字热注入的实践者将通常期望选择两种、三种或三种以上波长，因为其中的每一者具有在其相应波长下的合意吸收系数。通过借助所选的配量进行辐照，此允许熟练的实践者指定对于给定应用来说可为理想的穿透与吸收的确切组合。尽管DHI技术可以减小的波长精度工作，但已发现可通过并入高得多的水平的波长精度而在技术的实践中做出实质改进。还已发现，可必需某些专门类型的半导体硬件以进一步优化实施方案且用极窄带能量击中恰好所期望的波长并经济地实现所述实施方案。由于激光器及用于许多DHI应用的其它窄带辐照源必须是为了实现广泛商业化而经济地将其制造及实施成的类型及设计，因此仔细地选择此类激光器、LED或其它窄带发射装置以及制造过程为重要的。
虽然可使用几乎任何类型的激光器或窄带辐照器来实践数字热注入技术(在以应用的正确输出波长制造所述激光器或窄带辐照器的情况下)，但存在决定对用于所期望应用的某些类型的辐照器的偏好的某些实际情况。一般来说，也称为二极管激光器的半导体激光器往往更实际，因为其有助于较低成本的高生产制造。所述半导体激光器还提供以宽得多的特定波长范围、更大紧凑度、耐久性、电效率、坚固性及其它优点来制造其的能力。
然而，典型的二极管或半导体激光器也具有某些限制及制造挑战。一个麻烦的问题是在制造期间发生的正常过程变化，其可致使最终的激光装置具有比所期望的范围宽的输出波长范围。单个制造‘晶片’或衬底圆盘上制作有成千上万个装置。对于来自同一晶片的装置的波长，甚至针对良好控制的过程随机地变化+/-10纳米或+/-10纳米以上也并非不寻常的。所述装置可以正常的统计散布形式散布在构件周围，或者其可沿任一方向从目标/所期望中心波长严重偏斜。如果非常精确地击中特定中心波长(如+/-1或2纳米)为合意的，那么仅有选择为个别地对装置进行分类且仅挑选处于目标所期望范围中的装置。此可意味着将需要丢弃生产批量的或许80％或80％以上。当然，有时其可用于需要邻近波长的另一应用，但对于大多数情形此并非可靠的商业计划。当包含所有其它生产下降原因时，此分类程序可容易致使生产合格率低于20％。此为针对此类装置的高生产高功率使用的主要问题。为了最佳经济性且为了可期望应用DHI技术的各种产品的坚定商业化，需要生产在指定波长下的大量装置。
传统二极管激光器的设计必需若干个制造步骤，所述步骤使得集成到应用中较昂贵且自动化较昂贵而复杂。第一方面为，大多数二极管激光器是在MOC-VD晶片制作机器中用分层方法化学地制作的。每一装置的最终激光发射方向通常平行于晶片的平面。数千个装置是通过锯割或划线并劈开以将其切成个别装置而从单个晶片生产出的。有时，代替将其切割成个别装置，使其保持在物理上连接作为接着称为激光器条的一行装置。所述条可含有N个激光器但通常可为20个或20个以上的不同激光装置，其中的每一者个别地发挥作用。所述激光器仍机械地接合到其相邻者，因为其从未与所述相邻者分离。无论其是否为‘条’配置或无论其是否为用于常规‘边缘发射’激光器的个别激光二极管装置，都有必要对每一装置的边缘或端执行抛光及其它过程，所述边缘或端中的一者将变为发射小面。所有二极管激光器中的绝大多数被制造为这些‘边缘发射型’装置。在经改进的设计中，将从制造过程有益地消除对边缘的所有此额外处理及注意以便消除若干生产步骤及成本。
参考图5，展示呈安置于衬底14及16上的条12的典型的边缘发射装置10。衬底14(在一些应用中，及/或16)可为冷却衬底或系统。而且，线D展示光束在其于晶片中被产生时(最终在小面20处输出)的大体方向。发射小面20(展示了其中的三个实例)为最终是激光二极管中最常见的故障原因的位点的表面。发射小面20为脆弱的且对于激光二极管的寿命来说为关键的。所述表面上的任何刻痕、刮擦、缺陷、污染及一些其它问题均可导致额外局部或大规模的加热，此又会导致故障。此通常称为‘灾难性小面故障’且是半导体激光器中的最常见故障模式。而且，小面的形状为大体矩形，因此相对于激光输出的快轴及慢轴会出现控制与输出一致性的问题。
参考图6(a)及6(b)，在传统边缘发射激光装置10的制造安装期间遇到的另一问题如下。为了使二极管激光器的寿命及输出最大化，有必要充分且均匀地对其进行冷却。放出任何实质量的功率的激光器应在所述激光二极管的至少一个侧上恰当地安装到某一种类的热耗散衬底，例如衬底14。为了最佳的冷却及最大的装置寿命，小面20的表面必须与散热冷却衬底14的边缘绝对地齐平且平行(如图6(b)的装置10-2所展示)。如果激光二极管相对于衬底的边缘成任何偏斜角度或者并不几乎完全齐平(图6(a))，那么从导致早期故障的冷却观点看开始发生坏的事情。如果衬底14的任何部分(举例来说)伸出超过小面表面达距离N，那么其形成其中可驻存污染物的位置(如图6(b)的装置10-3所展示)，且伸出的衬底变为出自发射小面的杂散射线的反射器/吸收器。两种状况均可导致最接近衬底的小面材料的实质的额外加热。而且，如果如图6(b)的装置10-1所展示小面20伸出超过冷却衬底14的平面(达距离M)，那么其阻止衬底从激光装置中向外散热，此也可导致激光二极管的关键小面区的不均匀加热及过热。类似地，已叠置于冷却衬底或冷却电路板与激光二极管之间的任何界面介质或涂层均可能不一路伸出而达到齐平或可能露出并导致悬垂材料情形。如同其它状况，此也可导致或引起灾难性小面故障。为了消除这些问题，并入可快速安装且具成本效益而不必担心刚刚描述的问题的激光二极管将为非常合意的。
由于许多DHI应用为了获得到目标的足够辐照能量而利用一个以上激光二极管，因此安装复杂性及所需的二极管的数目可实质上提升制造DHI系统的成本。因此，当前技术的另一限制为可从单个激光二极管产生的有限的功率。如果对激光二极管进行较硬驱动或将其设计为较大封装以便获得较大功率输出，那么其提升必须穿过输出小面的功率密度。在功率密度上升时，必须更仔细地耗散不可避免的热。通常进行的折衷使装置降低速率以使效率及长寿命保持合理。
仔细地控制激光装置或激光阵列的温度不仅对于装置的寿命是关键的，而且其在其它方面也为关键的。随着激光二极管的温度上升，辐射输出降低。而且，随着温度改变，激光二极管装置的辐射输出的波长也改变。对于大多传统半导体激光器，输出每摄氏度的结温度改变会改变.3纳米。此成问题，因为在DHI系统中，精确地控制装置的温度为较昂贵的且可使用较多能量。
如上文所详述的实质问题列表为数字热注入技术的实践者在设法使系统商业化时将遇到的挑战，所述系统根本上围绕常规边缘发射激光二极管及增加由本发明表示的新颖想法的一些其它窄带装置经济地构建而成。
发明内容
在目前所描述实施例的一个方面中，系统包括：操作以将目标定位于促进向所述目标中施加辐射加热的辐照区中的构件；至少一个基于半导体的窄带辐射发射装置元件，所述至少一个窄带辐射发射装置操作以在匹配所述目标的所期望吸收特性的辐射热输出窄波长带下发射辐射，所述至少一个窄带辐射发射装置为安装式表面发射激光二极管装置，所述至少一个窄带辐射发射装置安装到包括电路板及冷却衬底中的至少一者的安装实体，以便相对于所述安装实体的最大平面大体正交地引导来自所述至少一个窄带辐射发射装置的辐照型式的中心轴；安装布置，其经配置以定位所述至少一个窄带辐射发射二极管装置，以便将来自所述至少一个窄带辐射发射二极管装置的辐照引导到所述辐照区中的目标；及操作以向所述至少一个窄带辐射发射装置供应电流的构件。
在目前所描述实施例的另一方面中，所述至少一个基于半导体的窄带辐射发射装置元件形成一个以上表面发射激光二极管装置的阵列。
在目前所描述实施例的另一方面中，所述阵列包括表面发射激光二极管装置的X×Y矩阵，其中X及Y两者均大于一(1)。
在目前所描述实施例的另一方面中，所述阵列呈一个以上表面发射激光二极管装置的经工程设计阵列的形式，以便已在考虑所述激光二极管装置的组合的辐照输出型式的情况下确定相对几何位置以提供对待辐照的既定目标的较佳辐照。
在目前所描述实施例的另一方面中，出于改进其中辐照到达既定目标的点处的辐照型式的目的而在阵列与目标之间叠置透镜处理布置或反射器布置中的一者。
在目前所描述实施例的另一方面中，在所述阵列中包含至少两种不同装置类型的装置，所述装置类型由以下各项中的至少一者界定：产生不同波长、由不同晶片衬底化学品制造、具有不同物理大小、不同功率输出及具有不同装置输出型式。
在目前所描述实施例的另一方面中，至少两种不同装置类型的阵列的特征在于为三种或三种以上不同装置类型。
在目前所描述实施例的另一方面中，所述阵列中所包含的所述不同装置类型可产生至少两种不同波长，所述波长的中心彼此相距在100nm内。
在目前所描述实施例的另一方面中，所述阵列中所包含的所述不同装置类型可产生至少两种不同波长，所述波长的中心彼此相距150nm以上。
在目前所描述实施例的另一方面中，所述操作以向所述至少一个窄带辐射发射装置供应电流的构件由可借助以下电源选择性地供应电流的系统构成：至少一个电流控制电源，其可由智能控制器控制，控制所述电源的所述智能控制器由以下各项中的至少一者组成：可编程逻辑控制器、基于微处理器的控制板、计算机控制系统及嵌入式逻辑控制器。
在目前所描述实施例的另一方面中，所述智能控制器具有选择性地控制来自所述至少两种不同装置类型的辐照的能力。
在目前所描述实施例的另一方面中，所述智能控制器操作以用数字方式控制来自所述至少一个窄带辐射发射装置的辐射，其中所述装置经配置以辐照所述目标上的一个以上辐照区。
在目前所描述实施例的另一方面中，所述智能控制器操作用数字方式控制来自所述至少一个窄带辐射发射装置的辐射，其中所述装置经配置以在对应于所述目标的不同吸收特性的变化波长下辐照。
在目前所描述实施例的另一方面中，表面发射激光二极管装置的几何布置经布置使得辐照输出型式不需要在激光二极管装置与辐照目标之间叠置任何折射、衍射或反射装置。
在目前所描述实施例的另一方面中，电路板及冷却衬底中的至少一者上安装有八个以上表面发射装置。
在目前所描述实施例的另一方面中，所述至少一个窄带辐射发射装置由作为一单元在晶片级上制造的一个以上表面发射装置的集成电路芯片阵列组成。
在目前所描述实施例的另一方面中，每一激光二极管装置内部的激光发射沿平行于所述装置的安装平面的方向发生，而所述输出辐照型式的所述中心轴大体正交于所述安装平面。
在目前所描述实施例的另一方面中，至少一些装置的输出辐照型式为沿其两个基本90°相对轴中的至少一者的经准直光子能量。
在目前所描述实施例的另一方面中，每一装置的外部辐照型式的分量均不平行于激光二极管装置本身的最大平面。
在目前所描述实施例的另一方面中，每一装置的外部辐照型式的分量均平行于安装衬底的最大平面。
在目前所描述实施例的另一方面中，控制件包含控制向目标的特定区域辐照多少所积累能量的能力。
在目前所描述实施例的另一方面中，所述装置的中心输出波长每摄氏度的激光二极管装置操作温度范围受到小于0.1纳米的影响。
在目前所描述实施例的另一方面中，系统包括：至少一个基于半导体的窄带辐射发射装置元件，所述至少一个窄带辐射发射装置操作以在匹配目标的所期望吸收特性的辐射热输出窄波长带下发射辐射，所述至少一个窄带辐射发射装置为安装式表面发射激光二极管装置，所述至少一个窄带辐射发射装置安装到包括电路板及冷却衬底中的至少一者的安装实体，以便相对于所述安装实体的最大平面大体正交地引导来自所述至少一个窄带辐射发射装置的辐照型式的中心轴；安装布置，其经配置以定位所述至少一个窄带辐射发射二极管装置，以便将来自所述至少一个窄带辐射发射二极管装置的辐照引导到所述辐照区中的目标；及操作以向所述至少一个窄带辐射发射装置供应电流的构件。
在目前所描述实施例的另一方面中，所述至少一个基于半导体的窄带辐射发射装置元件形成一个以上表面发射激光二极管装置的阵列。
在目前所描述实施例的另一方面中，所述阵列包括表面发射激光二极管装置的X×Y矩阵，其中X及Y两者均大于一(1)。
在目前所描述实施例的另一方面中，用于产生与目标相关联的辐射能量的辐照阵列包括：半导体辐照阵列，其中装置不与其上安装所述阵列的板的任何边缘齐平地安装，其中所述安装板配置为高热传导衬底，所述高热传导衬底具有用以传导热的至少一个层及用以传导供电电流的一个层，其中所述阵列由表面发射半导体激光装置构成，其中所述装置阵列的光学光子输出的轴实质上垂直于所述安装衬底的大平面，且其中所述安装板经配置以热耦合到以下各项中的至少一者：水套冷却系统、热辐射鳍片布置、状态改变冷却器、经压缩介质冷却器及热电冷却器。
在目前所描述实施例的另一方面中，所述阵列为表面发射装置的X×Y阵列，借此X及Y两者均大于一。
在目前所描述实施例的另一方面中，所述阵列为表面发射装置的布置，借此所述装置中的一些装置相对于其相邻装置旋转。
在目前所描述实施例的另一方面中，方法包括：将目标物项引入到辐照区中；使用安装式表面发射激光二极管装置在匹配所述目标物项的所期望吸收特性的辐射热输出窄波长带下发射辐射，其中所述安装式表面发射激光二极管装置安装到包括电路板及冷却衬底中的至少一者的安装实体，以便相对于所述安装实体的最大平面大体正交地引导来自所述装置的辐照型式的中心轴；及基于所述辐照装置而辐照所述目标物项。
在目前所描述实施例的另一方面中，所述目标物项为食品物项。
在目前所描述实施例的另一方面中，所述目标物项为预成型塑料瓶。
附图说明
图1(a)到1(d)为表面发射装置的表示；
图2(a)到2(b)为另一表面发射装置的表示；
图3(a)到3(d)为根据目前所描述实施例的系统；
图4为根据目前所描述实施例的另一系统；
图5为现有技术配置；且
图6(a)到6(b)为现有技术配置。
具体实施方式
本发明描述已确证但未众所周知的激光二极管技术的新式用途。此为作为实验装置且作为称为表面发射二极管激光器的类别而刚刚从几家先进制造商出现的新类别的装置。所述装置具有用于实践数字热注入技术的独特性质，且其不具有上文所指示的限制中的任一者。虽然所述装置可不表示激光二极管的许多传统用途的实质改进，但其表示实践数字热注入技术的经济性及实际性两者的实质上新颖的改进。
DHI应用的设计及制造通常涉及用于每一系统的大量激光二极管装置-由于在用实质量的能量辐照相对大的表面积及加热目标物项时经常涉及所述装置。功率激光二极管的许多传统应用使用小量的激光二极管且可认为较昂贵的非自动化安装方法是合理的。相反，为使许多DHI应用实际，有必要使用高度自动化的制造方法并通过高批量制造的最佳实践而驱动成本降低。装置及制造成本对于DHI应用为如此重要的，以致消费者可认为是合理的应用的数目与主要受安装式装置的成本驱动的制造成本成反比。正是由于此原因使得本发明的发明人一直寻求作为使得所述技术可商业化的关键步骤来实施激光二极管的新颖方式。
此类型表面发射装置的实施方案具有以下优点：根本不需要相对于冷却电路板或衬底的边缘的精确对准。由于所述装置正交于其所源自的制造晶片的平面发射能量而使得此成为可能。实际激光发射平行于表面而发生，但能量是从激光二极管装置垂直于激光发射方向而发射的。由于其并非正常的边缘发射装置，因此其消除关于微小的脆弱小面的担忧及与所述小面相关联的所有问题。
所述装置具有在其最大或安装表面的平面上具有发射小面的另一优点，所述最大或安装表面为边缘发射装置的小面的大小的许多倍。此显著减小穿过小面的能量密度，且因此实质上增加可靠性。在一些设计中，已展示出与边缘发射装置相比在表面发射布置的情况下能量密度小多达三个数量级。此通常应会导致实质上更长的寿命及经改进的较经济及高效的冷却配置。冷却得以简化的原因之一是，输出方向可垂直于安装板--因此可针对同一平面中的许多装置实现冷却。
本发明具有以下另一优点：具有随装置的几何比例成比例增大的孔口，使得在穿过发射小面的低能量密度的情况下可能有非常高功率输出的装置。
本发明具有发射在至少一种形式中已沿一个轴经准直而沿另一轴仅具有适中发散角度的辐照能量的另一优点。此允许辐射能量输出的非常容易的处置且因此允许使用较简单且较低廉的透镜或光学装置(例如由相对低廉的材料制成的圆柱形透镜条)。事实上，此特征消除了许多DHI应用中对任何透镜处理的需要。此为充分配置的系统的另一成本减小。此还允许对(举例来说)为不同目标区指定的装置阵列的输出的较佳区控制。
本发明具有以下另一优点：具有对辐照波长的非常严格的控制。跨越晶片的典型生产变化仅为+/-1或2纳米，此对于甚至最关键的DHI应用来说也为足够严格的以消除对分类为特定波长的需要。在生产分类对于具有非常高的合格率为不必要的情况下，针对典型的高批量DHI应用存在另一实质成本减小益处。因此，使用这些装置的数字热注入系统具有实现高可靠性但是在自然精确的波长下发射的大的表面积。
本发明的又一优点为温度的改变对装置的波长输出具有小至少一数量级的影响。输出变化通常为每摄氏度的结温度改变大约.03纳米的改变。此为显著的优点，因为其使得冷却不那么关键且使得较简单的不那么昂贵的冷却技术对于许多DHI应用是实际的。举例来说，可不需要复杂的深冷器，而是借助散热鳍片的空气冷却对于许多应用来说可为充足的。而且，散热衬底可通常具有较不复杂的设计，此为了不起的成本节省现实。
另一优点为，可借助较常规的不那么精确的拾取与放置型设备以较类似于可安装其它非光学电路板组件的方式的方式将所预期的表面发射装置安装于安装实体上。
而且，由于装置的输出垂直于安装板，因此可使得电连接较容易。本发明的又一优点为抑制反射回到激光装置的辐照光子，使得杂散光极不可能导致对激光装置内部的结区的损坏。
且又一优点为表面发射装置的形状因子有助于以极高功率的单装置版本制造装置。举例来说，可制造将超过75瓦特的单个二极管激光器。
表面发射装置的又一优点为，可在砷化镓衬底及磷化铟衬底两者上制造其以促进在宽广范围的DHI应用中的使用。
现在参考图1(a)到1(c)，图解说明表面发射散布式反馈半导体激光二极管装置100。此装置可以多种公开案中所描述的多种不同方式制造，但在一种形式中可根据(举例来说)以下文献来制造：第5,345,466号美国专利、第5,867,521号美国专利、第6,195,381号美国专利，及第2005/0238079号美国公开案。所有这些文件均以全文引用的方式并入本文中。
简单地说，在一种实例性形式中且在不受限制的情况下，装置100通常将包含包括发射表面120的激光二极管部分110。值得注意地，二极管的制作还包含冷却衬底130的提供。
另外，发射表面120包含发射区140以沿预定方向有利地发射辐射150。值得注意地，装置100部分地由于下伏光栅表面(未展示)而能够实现此性能及功能性。就此来说，所述光栅本质上可为弯曲的。
现在参考图1(d)，将装置100或其变化形式展示为散布在实例性阵列200中。将装置100展示为以使得不提供所述阵列的辐射间隙的方式散布。在一些形式中，所述阵列的配置及所使用阵列的数目将允许对所述阵列的若干区的有利控制，以便可以适当方式来控制此类区。而且，提供串联电连接以实现合意驱动电压的若干阵列或阵列群组可为有利的。此在实践数字热注入时为实质上有利的，使得可将导线大小保持为合理线规。由于高电流要求在低电压下驱动高瓦特数将需要大直径导线。大直径导线为较昂贵的，且利用并连接大直径导线为实质上较困难的。相比之下，激光二极管条中的所有激光二极管将因其封装的物理约束而彼此电并联。假定所述激光二极管因此必须被冷却及安装的方式，实现DHI配置阵列的一系列电连接的方便性较具挑战性。
如上文所提及，表面发射散布式反馈半导体激光二极管(例如装置100)具有优于较传统激光型装置的明显优点。如可看出，激光二极管部分110在冷却衬底130上的对准不再困难。其不需要精确边缘对准。而且，如图1(b)及1(c)中所展示，从发射表面120发射的辐射沿一个维度经准直(图1(b)--侧视图)且沿另一维度为成平缓角度的发散(图1(c)--端视图)。此不同于具有发散快轴及慢轴的大多数激光二极管。此在所预期的DHI应用中具有明显优点：辐射的透镜处理(如果有必要)在一个维度上变得简化，因此促进在许多应用中更加简单形式的透镜处理及/或对若干区的经改进控制。而且，这些装置的公差大约为每晶片+或-1纳米，--此与较传统激光装置的大得多的公差相对立。因此，装置100的显著优点为，变窄的操作范围将允许施加在目标的位于其吸收曲线的非常“陡峭”部分上的吸收范围中的能量。
图1(a)到1(d)展示可经实施以实现目前所描述实施例的目的的装置的一个实例性实施例。然而，根据目前所描述实施例的表面发射装置可采取多种形式。例如这些形式的装置通常将具有包括垂直于输出方向的发射表面(其可为装置上具有目标尺寸的表面)的大于35％(左右)的发射区。
图2(a)及2(b)中展示可在目前所描述实施例内有利地实施的表面发射装置的另一实例。此类装置揭示于第2004/0066817号及第2005/0180482号美国申请案中--所述申请案两者以全文引用的方式并入本文中。
如图所示，表面发射装置10包括含有激光条带14及反射元件16的半导电裸片或衬底12。在激光条带14中产生激光光束18且其经反射离开元件16，使得激光光束18从装置10且沿大体垂直于衬底12的表面22的方向发射。在一种形式中，如图所示，激光光束18沿朝向装置的边缘20的方向行进。参考图2(b)，如图2(a)中所示的装置布置成阵列。所述一或多个阵列可以多种方式配置以实现目前所描述实施例的目的。然而，在至少一种形式中，数个装置10彼此邻近地布置以形成一列或一行且在特定衬底上提供多个列或行。而且，如可看出，形成阵列的多个装置大体沿垂直于衬底12的表面22的方向发射辐射以提供辐射光束的区域70。
图2(a)及2(b)中所图解说明的装置具有许多与图1(a)到1(d)中所图解说明的装置相同的优点。然而，图2(a)与2(b)的装置的实施方案的一个差异为，从装置10发射的光未必与图1(a)到1(d)的装置一样沿一个方向经准直。装置10也不维持与图1(a)到1(d)中所设计的装置一样大的孔口。然而，如同图1(a)到1(d)的装置，图2(a)到2(b)的装置确实包含在精确波长下发射的较大表面积。此外，发射方向正交于装置的大轴或面。此意味着，在许多DHI应用中，安装电路板的平面可正交于辐照的方向。在此定向中，来自激光装置的辐射发射可正对着目标。因此，此系统的透镜处理布置(无论其呈一维还是二维)相对于其它类型的激光二极管实施方案大大简化。重要地，来自图1(a)到1(d)及来自图2(a)到2(b)两者的发射装置中的表面的两种配置均维持上文所描述的安装考虑因素的容易性。此将结合图3(a)到3(d)及图4更详细地加以描述。
此外，应了解，在至少一种形式中，配置结合目前所描述实施例实施的表面发射装置，其中每一激光二极管装置内部的激光发射沿平行于装置的最大(或安装)平面的方向发生，而输出辐照型式的中心轴大体正交于装置的最大(或安装)平面。在至少一种形式中，至少一些装置的输出辐照型式为沿其两个基本90°相对轴中的至少一者的经准直光子能量。在至少一种形式中，每一装置的外部辐照型式的分量均不平行于激光二极管装置本身的最大(或安装)平面。此外，在至少一种形式中，装置的中心输出波长每摄氏度的激光二极管装置操作温度改变受到小于0.1纳米的影响。
现在参考图3(a)，展示目前所描述实施例并入到其中的系统。系统500包含控制模块510以及阵列520及透镜布置525(如果有必要)。阵列520可采取本文中所预期的形式中的任一者且辐照台架区530以形成辐照或目标区540。
应了解，控制模块510可采取多种形式，包含用以控制电流控制电源的智能控制器的形式，所述电流控制电源控制到表面发射装置的电流。应了解，所述控制模块可包含或控制用以向表面发射装置供应电流的构件或机构或系统。所述智能控制器可为可编程逻辑控制器、基于微处理器的控制板、计算机控制系统或嵌入式逻辑控制器。所述智能控制器具有选择性地控制来自至少两种不同装置类型的辐照的能力。所述智能控制器具有单独地控制来自至少一个窄带辐射发射装置的辐射的能力，其中所述装置经配置以向目标上的一个以上辐照区中辐照。因此，在许多形式中，控制模块510具有控制向目标的特定区域辐照多少所积累能量的能力。
阵列520可采取多种形式。然而，在至少一种形式中，所述阵列包括至少一个基于半导体的窄带辐射发射装置元件，其中所述至少一个窄带辐射发射装置操作以在匹配目标的所期望吸收特性的辐射热输出窄波长带下发射辐射且为安装式表面发射激光二极管装置。在至少一种形式中，所述装置经配置以在对应于一或多个目标的不同吸收特性的变化波长下辐照。所述至少一个窄带辐射发射装置可安装到例如电路板及/或冷却衬底的安装实体，以便相对于所述安装实体的最大平面大体正交地引导来自所述至少一个窄带辐射发射装置的辐照型式的中心轴。安装布置可经配置以定位所述至少一个窄带辐射发射二极管装置，以便将来自所述至少一个窄带辐射发射二极管装置的辐照引导到辐照区中的目标。而且，所述至少一个基于半导体的窄带辐射发射装置元件形成为一个以上表面发射激光二极管装置的阵列。在一种形式中，所述阵列包括表面发射激光二极管装置的X×Y矩阵--其中X及Y两者均大于一(1)。在一种形式中，所述阵列呈一个以上表面发射激光二极管装置的经工程设计阵列的形式，以便已在考虑所述激光二极管装置的组合的辐照输出型式的情况下确定相对几何位置以提供对待辐照的既定目标的较佳辐照。在至少一种形式中，在所述阵列中包含至少两种不同装置类型的装置，所述装置类型由以下各项中的至少一者界定：产生不同波长、由不同晶片衬底化学品制造、具有不同物理大小及不同功率输出。至少两种不同装置类型的阵列的特征可在于为三种或三种以上不同装置类型。在至少一种形式中，所述阵列中所包含的所述不同装置类型可产生至少两种不同波长，所述波长的中心彼此相距在100nm内或彼此相距150nm以上。
而且，应了解，根据本发明用于产生与目标相关联的辐射能量的辐照阵列包含半导体辐照阵列，其中装置不与其上安装所述阵列的板的任何边缘齐平地安装。在一种形式中，所述安装板配置为高热传导衬底，所述高热传导衬底具有用以传导热的至少一个层及用以传导供电电流的一个层。所述阵列由表面发射半导体激光装置构成，其中所述装置阵列的光学光子输出的轴实质上垂直于所述安装衬底的大平面。在一种形式中，所述安装板还经配置以热耦合到以下各项中的至少一者：水套冷却系统、热辐射鳍片布置、状态改变冷却器、经压缩介质冷却器及热电冷却器。
另外，所述装置可以多种方式定位于衬底上。举例来说，可提供若干装置行及列，其中所述装置全部以同一方式定向，即，所有装置的长度(或宽度)方向为平行的。行或列还可经偏移(如在图3(b)中)。此外，行及/或列中的交替装置可旋转(举例来说)90°，使得相邻装置的长度(或宽度)方向彼此正交。在至少一个应用中，交替装置的此旋转允许较均一的辐照场。
而且，所述阵列可形成于电路板或冷却衬底上，以便可在其上形成任何数目个表面发射装置。实例性阵列上将具有八(8)个表面发射装置。而且，所述阵列可为作为一单元在晶片级上制造的多个装置的集成芯片阵列。
关于如上文所提及的任选透镜布置525，将了解此透镜处理布置可采取多种形式，但在至少一种形式中，其为与相对于激光二极管应用已知的布置相比时经简化的透镜处理布置。就此来说，装置的表面发射性质允许发射表面正对着目标区，也就是说，发射正交于安装衬底的平面。此减少对复杂光学器件系统的需要。因此，在许多情况下，放置于装置前面的简单圆柱形透镜(举例来说)将足以用于透镜处理应用。就此来说，可实施用于多个装置的单个圆柱形透镜或用于每一装置的单独透镜。而且，由于表面发射装置通常具有较大的小面面积及较小的功率密度，因此可实施较不昂贵的透镜布置及材料。这些优点在其中在精确波长下发射的大的表面积为令人满意的DHI应用中成为合意的。在激光应用中通常为所期望的高能量密度在DHI应用中并非必需的。
当然，虽然可能有多种配置，但在一种形式中，出于改进其中辐照到达既定目标的点处的辐照型式的目的而在阵列与目标之间叠置透镜处理布置或反射器布置中的一者。在其它形式中，表面发射激光二极管装置的几何布置经布置使得辐照输出型式不需要在激光二极管装置与辐照目标之间叠置任何折射、衍射或反射装置。
台架区530及辐照或目标区540还可采取多种形式。在一种形式中，所述台架区包含用以将目标移动到待辐照的区540中的传送器或旋转盘。台架区530还可为固定板或其它支撑元件。在一些形式中，所述台架区可为固定的，但所述阵列(及透镜，如果包含的话)相对于目标移动。当然，配置随应用而变。
所属领域的技术人员将了解，图3的系统500可采取多种形式及实施方案。举例来说，系统500可采取用于在吹塑模制过程期间加热预成型塑料瓶的系统的形式。在另一形式中，系统500可定位于用于烘焙各种类型的食品物项的炉中。
就此来说，参考图3(b)及3(c)，图解说明图3(a)的装置的实施方案的实例。应了解，图3(b)及3(c)中所图解说明的装置或系统本质上仅为示范性且可采取多种其它形式。如上文所提及，图3(c)中展示目标535。此目标可采取多种形式，包含塑料预成型瓶或例如匹萨的食品物项的形式。还应了解，目标物件的变化可需要所述系统的在研究本发明之后应即刻明了的变化(举例来说，传送系统或台架区的改变)。
更具体来说，图3(b)图解说明阵列520的实例性形式。如图所示，阵列520具有其上所揭示的多个表面发射装置522。每一表面发射装置包含一发射表面或区，例如524处所示的发射表面或区。图3(b)中所示的阵列520图解说明可在电路板上实现实质发射表面以朝向物件发射辐射。如图所示，阵列520将允许朝向沿垂直于装置522中的每一者的长侧的方向行进的目标发射均一输出。将以多种方式布置或控制例如装置522的装置。举例来说，如图所示布置成若干列的两个或三个装置的每一集合可被视为单独的发射区且作为单独的发射区加以控制。在其它实施例中，区控制可并非是优先的，然而，配置及冷却的效率可决定型式。如上文所提及，由于例如522的装置可布置于电路板或冷却衬底上以沿垂直于发射表面的方向输出能量，因此获得经改进的性能。这些改进不可使用边缘发射激光二极管获得，如依据本文中的揭示内容应明了。
现在参考图3(c)，展示阵列520呈发射表面借以朝向驻存于台架区530上加热区540内的物件535发射辐射的定向。出于此图解说明的目的，应注意，物件535的行进方向进入/离开页面，如点所指示。结合阵列520，还展示透镜或透镜布置525。透镜525可采取多种配置。然而，表面发射装置的使用允许透镜处理装置525呈现相对简单且低廉的配置。就此来说，所述透镜可为形成为经定大小以有利地散布从阵列520发射的能量的条的简单圆柱形透镜。应了解，透镜布置525仅为用于任何给定应用的任选特征。还应了解，透镜525距所述阵列的表面的相对位置可决定在输出或目标535处经历的型式。举例来说，此型式依据透镜阵列520上的装置522的布置而变。所属领域的技术人员将了解透镜可视需要而散布能量及聚焦能量的方式。在任一情况下，表面发射装置的使用都允许透镜的使用及配置的较大灵活性，因为表面发射装置的较有利的能量散布允许较接近于发射表面来放置透镜布置。此出于至少以下原因而无法使用边缘发射装置来实现：边缘发射装置可产生太多的热且在透镜上或透镜中产生将不有利于恰当性能的热点。
还展示阵列520具有冷却线路529及冷却鳍片528。冷却装置的布置的简单性图解说明使用表面发射装置借此所述装置沿垂直于发射表面及衬底或安装实体的最大平面的方向发射的又一优点。此允许如本文中所示的简化冷却布置。
还展示保护屏蔽物526。保护屏蔽物526可采取多种形式。然而，在至少一种形式中，保护屏蔽物526由将在所期望波长下为透明的但还保护阵列免受不期望的磨损的材料制成。
现在参考图3(d)，展示曲线图550。在所述曲线图中，对照横跨目标的至少两个区的距离D用曲线图表示在所述目标处所经历的输出百分比。如图所示，线A图解说明利用表面发射装置的系统。就此来说，线A展示从在一区的边界或边缘处所经历的100％输出到所经历的0％输出的急剧降低。使用边缘发射装置，预期输出B。此为更加平缓倾斜的曲线。此图解说明使用表面发射装置借此输出的至少一个方向经准直--使得不经历平缓倾斜的曲线或高斯下降(例如在线B处所示的下降)的一个优点。就此来说，可预期使用表面发射装置的阵列的输出本质上为更加直线的，而边缘发射装置的辐射输出趋向于更椭圆及高斯的。以此方式，表面发射装置的使用允许对输出的较佳区控制。此外，将了解，较高数目的较小阵列可用于针对较大阵列进行更精细的区控制，借此期望较大区或较少精确区。
参考图4，装置100(或10)可以圆柱形配置并入以加热例如塑料瓶预成型件610的物项。在此形式中，实际实施方案可依据使物项610移动、使阵列100移动或使两者移动的设计者期望而变化。辐照源或目标的移动(通过各种手段，例如液压系统、活塞、电机等)在DHI加热应用中可为必需的。还图解说明反射表面618及透镜布置620。如上所述，这些透镜配置可大大地简化且比用于激光二极管应用的其它已知透镜布置更具成本效益。透镜布置620还可提供将激光二极管阵列与可来自环境或目标的任何污染物隔离的功能。举例来说，将屏蔽烹调炉中的食品飞溅物使其不沉积在激光阵列设备中的任一者上，使得所述透镜布置保护所述设备的寿命。如果在一些类型的应用中不必使用透镜处理，那么元件620可采取仅一保护屏蔽物的形式，所述屏蔽物在正用于所述应用的波长下为透明的。在一些情况下，可使用透镜处理布置及保护屏蔽物两者。如此处理的一个原因可为使得可用清洁的或洁净的保护屏蔽物来周期性地替换所述保护屏蔽物。此类屏蔽物可为一次性的或为可对其进行清洁并再使用的类型。关于保护屏蔽物应存在的另一特征可为抗反射涂层或用于其它目的的涂层。一些表面发射激光二极管发射偏振光束，因此保护屏蔽物配置还可适合于使用偏振来达到良好效应。
图4中所示的布置展示进一步图解说明在DHI应用中使用表面发射装置相对于使用边缘发射装置的优点。就此来说，应重申表面发射装置的输出垂直于所制作的装置或安装布置或实体的最大表面。就此来说，此允许经改进的冷却及其它技术。因此，在图4中，可实现在一些应用中可为所期望的非常紧凑的布置。假如在图4中所示的布置中使用边缘发射装置，那么可需要电路板经定位以便使用多个电路板来形成每一阵列且经布置以从阵列的背侧伸出。这些电路板将沿平行于朝向目标610的输出的方向定向。如此，装置600的配置可比在使用表面发射装置的情况下所必需的配置大得多且更复杂及笨重。
应了解，目前所描述实施例的操作可依据特定实施方案而变化。然而，在至少一种形式中，本文中所描述的系统(及其变化形式)通常将实现在辐照区中定位或引入目标(例如，通过传送器、旋转盘、液压系统等)及表面发射装置(在许多形式中，配置成若干阵列)的后续操作以朝向目标发射匹配所述目标的所期望吸收特性的窄带辐射。此允许所期望的加热、烹调等。所述系统将在控制器或控制模块的控制之下，以便以本文中所描述的方式(例如，均一地、在若干区中、在不同波长下、在不同位置处等)将电流提供到装置或装置阵列。应了解，所述控制器以及所预期系统的控制功能性的其它装置可采取多种形式。举例来说，所述控制器可利用存储由适合处理器执行的例程的存储器装置或存储器位置。就此来说，可使用多种不同的软件例程及/或硬件配置来实施及/或控制本发明的技术。
上文描述仅提供本发明的特定实施例的揭示内容且并不既定用于将本发明限制于所述特定实施例的目的。如此，本发明并不仅限制于上述实施例。而是，应认识到，所属领域的技术人员可构想出归属于本发明的范围内的替代实施例。

Claims (15)

1.一种用于将辐射能量不接触注入到目标中的系统，所述系统包括：
操作以将目标定位于促进向所述目标中施加辐射加热的辐照区中的构件；
至少一个基于半导体的窄带辐射发射装置元件，所述至少一个窄带辐射发射装置操作以在匹配所述目标的所期望吸收特性的辐射热输出窄波长带下发射辐射；
所述至少一个窄带辐射发射装置为安装式表面发射激光二极管装置；
所述至少一个窄带辐射发射装置安装到包括电路板及冷却衬底中的至少一者的安装实体，以便相对于所述安装实体的最大平面大体正交地引导来自所述至少一个窄带辐射发射装置的辐照型式的中心轴；
安装布置，其经配置以定位所述至少一个窄带辐射发射二极管装置，以便将来自所述至少一个窄带辐射发射二极管装置的辐照引导到所述辐照区中的目标；及
操作以向所述至少一个窄带辐射发射装置供应电流的构件。
2.一种用于将辐射能量不接触注入到目标中的系统，所述系统包括：
至少一个基于半导体的窄带辐射发射装置元件，所述至少一个窄带辐射发射装置操作以在匹配所述目标的所期望吸收特性的辐射热输出窄波长带下发射辐射；
所述至少一个窄带辐射发射装置为安装式表面发射激光二极管装置；
所述至少一个窄带辐射发射装置安装到包括电路板及冷却衬底中的至少一者的安装实体，以便相对于所述安装实体的最大平面大体正交地引导来自所述至少一个窄带辐射发射装置的辐照型式的中心轴；
安装布置，其经配置以定位所述至少一个窄带辐射发射二极管装置，以便将来自所述至少一个窄带辐射发射二极管装置的辐照引导到辐照区中的目标；及
操作以向所述至少一个窄带辐射发射装置供应电流的构件。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述至少一个基于半导体的窄带辐射发射装置元件形成一个以上表面发射激光二极管装置的阵列。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述阵列包括表面发射激光二极管装置的X×Y矩阵，其中X及Y两者均大于一(1)。
5.根据权利要求4所述的系统，其中在所述阵列中包含至少两种不同装置类型的装置：
所述装置类型由以下各项中的至少一者界定：产生不同波长、由不同晶片衬底化学品制造、具有不同物理大小、不同功率输出及具有不同装置输出型式。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述阵列中所包含的所述不同装置类型可产生至少两种不同波长，所述波长的中心彼此相距150nm以上。
7.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述操作以向所述至少一个窄带辐射发射装置供应电流的构件由可借助以下电源选择性地供应电流的系统构成：
至少一个电流控制电源，其可由智能控制器控制：
控制所述电源的所述智能控制器由以下各项中的至少一者组成：可编程逻辑控制器、基于微处理器的控制板、计算机控制系统及嵌入式逻辑控制器。
8.根据权利要求5所述的系统，其中所述智能控制器具有选择性地控制来自所述至少两种不同装置类型的辐照的能力。
9.根据权利要求3所述的系统，其中每一激光二极管装置内部的激光发射沿平行于所述装置的安装平面的方向发生，而所述输出辐照型式的所述中心轴大体正交于所述安装平面。
10.一种用于产生与目标相关联的辐射能量的辐照阵列，其包括：
半导体辐照阵列，其中装置不与其上安装所述阵列的板的任何边缘齐平地安装；
其中所述安装板配置为高热传导衬底，所述高热传导衬底具有用以传导热的至少一个层及用以传导供电电流的一个层；
其中所述阵列由表面发射半导体激光装置构成；
其中所述装置阵列的光学光子输出的轴实质上垂直于所述安装衬底的大平面；且，
其中所述安装板经配置以热耦合到以下各项中的至少一者：水套冷却系统、热辐射鳍片布置、状态改变冷却器、经压缩介质冷却器及热电冷却器。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述阵列为表面发射装置的X×Y阵列，借此X及Y两者均大于一。
12.根据权利要求10所述的系统，其中所述阵列为表面发射装置的布置，借此所述装置中的一些装置相对于其相邻装置旋转。
13.一种用于辐照目标物项的方法，所述方法包括：
将目标物项引入到辐照区中；
使用安装式表面发射激光二极管装置在匹配所述目标物项的所期望吸收特性的辐射热输出窄波长带下发射辐射，其中所述安装式表面发射激光二极管装置安装到包括电路板及冷却衬底中的至少一者的安装实体，以便相对于所述安装实体的最大平面大体正交地引导来自所述装置的辐照型式的中心轴；及
基于所述辐照装置而辐照所述目标物项。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述目标物项为食品物项。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述目标物项为预成型塑料瓶。
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