KR101733422B1 - 구성 가능한 강도 분포를 갖는 레이저 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 몇몇의 대면적 VCSEL들(101)의 어레이 및 상기 어레이의 VCSEL들(101)의 활성층들을, 어레이의 모든 VCSEL들(101)의 또는 VCSEL들(101)의 서브그룹들의 활성층들에 의해 방출된 레이저 방사가 작업 평면(501)에서 겹치도록 작업 평면(501)에 이미징하도록 설계 및 배열된 하나 또는 몇몇의 옵틱스(201, 202)를 포함하는 레이저 장치에 관한 것이다. 제안된 장치는 원하는 강도 분포 또는 빔 프로파일을 위해 특별히 설계된 옵틱스의 필요 없이 작업 평면에서 이 강도 분포의 생성을 허용한다.

Description

구성 가능한 강도 분포를 갖는 레이저 장치{LASER DEVICE WITH CONFIGURABLE INTENSITY DISTRIBUTION}
본 발명은 수직 공진 표면 발광 레이저(VCSEL: vertical cavity surface emission laser)들의 어레이를 포함하는 레이저 장치에 관한 것이다. 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드들은 가장 유망한 레이저 소스들 중 하나이고, 어드레싱 가능한 2D 어레이 배열들, 온-웨이퍼 테스팅 및 원형 빔 형상들과 같은, 에지 방출기(edge emitter)들에 비하여 많은 이점들을 제공할 수 있다.
소면적 산화물 제한(small area oxide-confined) VCSEL들은 가우스 모드들(Gauss modes)을 방출하는 것으로 알려져 있다. 보다 큰 활성 면적들에 의해 보다 높은 출력 전력들이 달성될 수 있지만, 방출은 푸리에 모드들(Fourier modes)에 의해 가장 잘 묘사되는 분포들로 변한다. 레이저 빔의 근거리 필드(near field)는 레이저의 완전한 펌핑된 활성 영역 또는 방출 영역을 채우고, 그것은 예를 들면 산화물 개구(oxide-aperture)의 형상에 의해, 양자(proton) 주입의 형상에 의해, 메사(mesa)의 형상에 의해 또는 레이저 다이오드의 콘택트 기하학의 형상에 의해 결정된다. 따라서 이들 형상들을 적절히 설정하는 것에 의해 예를 들면 정사각형, 원형, 타원형 또는 꽃잎 형상들과 같은 대면적 VCSEL의 근거리 필드에서 상이한 형상들의 강도 분포를 생성하는 것이 가능하다.
많은 레이저 응용들에서, 특히 재료 가동 또는 의료 응용들에서는, 작업 평면에서, 예를 들면 탑햇(top-hat) 원형 또는 직사각형 형상들, 라인들 또는 링 구조들과 같은, 특별한 강도 분포들이 요구된다. 일부 응용들은 특히 라인 방향을 따라 매우 양호한 균일성을 갖는 균일한 라인 형상의 강도 프로파일들을 요구한다. 예는 1.5 m 및 단지 몇 mm의 두께까지 레이저 라인을 갖는 전문 인쇄 기계에서의 잉크의 건조이다. 레이저 빔을 원하는 강도 분포로 정형하기 위해 하나 또는 몇몇의 렌즈 어레이들 및 적어도 하나의 푸리에 렌즈로 이루어진 빔 균질기들(beam homogenizers)이 적용될 수 있지만 빔에서 신중히 정렬되어야 한다. 또한, 레이저 빔의 간섭성(coherence) 때문에 불필요한 아티팩트들이 나타날 수 있다. 케랄라(Kerala)주의 코친(Cochin) 과학 기술 대학, 2004년, 12월 9-11일, 17차 광전자, 섬유 광학 및 포토닉스의 국제 회의의 논문 LTW-P2, C. Singh 등의, "Simulation and optimization of the intensity profile of an optical transmitter for high-speed wireless local area networks"는 최적화된 강도 프로파일을 갖는 멀티 빔 송신기 기반의 수직 공진 표면 발광 레이저 어레이를 개시하고 있다. 어레이 전방에 가우스 강도 프로파일을 갖는 소면적 VCSEL들 및 특별한 매트릭스 유형의 회절 소자를 이용하여, 작업 평면에서의 개개의 VCSEL들의 강도 분포들은 부분적으로 겹쳐서 작업 또는 수신기 평면에서 균일한 강도 분포를 달성한다.
알려진 레이저 장치들에서는, 작업 평면에서 원하는 강도 분포를 생성하기 위해 특별한 옵틱스(optics)가 이용되고 신중히 정렬되어야 한다. 또한, 이 강도 분포는 레이저의 전방에 완전한 옵틱스를 대체하지 않고는 상이한 형상으로 전환될 수 없다. 이것은 그러한 레이저의 각각의 응용에 대하여 맞춤 시스템들을 요구한다.
본 발명의 목적은 원하는 강도 분포 또는 빔 프로파일을 위하여 특별히 설계된 옵틱스의 필요 없이 작업 평면에서 그러한 강도 분포의 생성을 허용하는 레이저 장치를 제공하는 것이다.
그 목적은 청구항 1에 따른 레이저 장치로 달성된다. 그 레이저 장치의 유리한 실시예들은 종속 청구항들의 내용이고 이 설명의 후속 부분들에서 설명된다.
제안된 레이저 장치는 몇몇의 대면적 VCSEL들의 어레이 및 상기 어레이의 모든 VCSEL들의 또는 VCSEL들의 서브그룹들의 활성층들에 의해 방출된 레이저 방사가 작업 평면에서 겹치도록 작업 평면에 상기 어레이의 VCSEL들의 활성층들을 이미징하도록 설계되고 배열된 하나 또는 몇몇의 옵틱스를 포함한다.
VCSEL들의 활성층의 작업 평면에의 이러한 이미징 때문에, 각각의 VCSEL의 근거리 필드 강도 분포의 이미지들은 작업 평면에서 겹치고, 바람직하게는 근거리 필드 강도 분포들의 중심축들 또는 중심들은 작업 평면에서 일치하거나 거의 일치한다. 이 컨텍스트에서 활성층들을 이미징하는 특징은 반드시 선명한 이미지를 생성하는 것을 의미하는 것은 아니다. 활성층들의 이미징은 또한 작업 평면에서 선명하지 않은(non-sharp) 이미지로 귀결될 수 있다.
대면적 VCSEL은 레이저 방출이 푸리에 모드들에 의해 지배되는 VCSEL이다. 그러한 대면적 VCSEL은 전형적으로 80 ㎛2 이상, 바람직하게는 300 ㎛2 이상의 방출 영역을 갖는다. 대면적 VCSEL의 근거리 필드 강도 분포는, 소면적 VCSEL들의 근거리 필드 강도 분포와 달리, VCSEL의 방출 영역 또는 방출 개구의 기하학적 형상에 의해 결정될 수 있으므로, 작업 평면에서의 겹친 필드 강도 분포는 이들 형상들에 의해 결정된다. 따라서 원하는 강도 분포를 달성하기 위하여 대응하는 형상들의 방출 영역 또는 방출 개구를 갖는 VCSEL들을 제공하기만 하면 된다. 따라서 동일한 옵틱스를 이용할 경우 상이한 형상들의 방출 영역 또는 방출 개구를 갖는 VCSEL들을 제공하는 것에 의해서만 작업 평면에서의 상이한 강도 프로파일들이 생성될 수 있다. VCSEL 어레이들은 웨이퍼 레벨에서 기하학적 파라미터들에 관하여 높은 정밀도로 제조될 수 있다. 그러므로, 원하는 강도 프로파일을 갖는 레이저 장치는 높은 신뢰도 및 재현성으로 제조될 수 있다.
따라서 본 발명은 레이저 방사의 적응된 강도 분포들을 생성하기 위해 대면적 VCSEL들의 특성들을 이용하는 것을 제안한다. 몇몇의 VCSEL들의 근거리 필드는 원하는 작업 거리에서 이미징된다. 근거리 필드 강도 분포는 산화물 개구의 형상, 양자 주입의 형상, 메사의 형상 또는 VCSEL의 콘택트 기하학의 형상에 의해 설정될 수 있다. 대응하는 형상은 원하는 강도 분포, 예를 들면 정사각형, 직사각형, 원형, 타원형 등에 적응된다. 옵틱스의 이용으로 레이저들의 이미지들은 작업 평면에서 오버랩된다. 옵틱스는 단일 레이저로부터의 방출을 시준하는, 하나 또는 몇몇의 마이크로 렌즈 어레이들, 및 총 레이저 방사를 작업 평면에서 포커싱하는 하나 이상의 렌즈들과 함께 레이저 빔들을 변경하거나 정형하는 다른 광학 소자들을 포함할 수 있다. 어레이는 동일한 형상들의 근거리 필드 강도 분포를 갖는 VCSEL들 또는 VCSEL들의 서브그룹들을 포함할 수 있고, 그 형상들은 그 후 작업 평면에서 오버랩되어 이 형상을 갖는 강도 분포를 제공한다. 어레이는 또한 상이한 형상들의 근거리 필드 강도 분포를 갖는 VCSEL들 또는 VCSEL들의 서브그룹들을 포함할 수 있고, 그 형상들은 그 후 작업 평면에서 오버랩되어 그 상이한 형상들의 중첩에 의해 결정되는 강도 분포를 제공한다.
레이저 장치는 개별적으로 스위칭 가능한 적어도 제1 및 제2 수직 공진 표면 발광 레이저의 어레이를 포함한다. 제1 VCSEL은 근거리 필드에서 제1 형상의 그것의 강도 분포를 갖는 레이저 빔을 방출하도록 설계된다. 제2 VCSEL은 근거리 필드에서 제1 형상과 다른 제2 형상의 그것의 강도 분포를 갖는 레이저 빔을 방출하도록 설계된다.
상이한 형상들의 근거리 필드 강도 분포를 갖는 어드레싱 가능한 VCSEL들의 어레이를 이용하는 것에 의해, 상이한 VCSEL들을 통하여 구동 전류들을 조정하는 것에 의해 작업 평면에서의 빔 프로파일들은 전기적으로 스위칭되고 정형될 수 있다. 이것은 간단한 방법으로 작업 평면에서의 레이저 빔 프로파일의 스위칭을 허용한다.
이 실시예의 의도된 응용에 따라서, 어레이는 최소한 2개의 상이한 VCSEL들, 즉, 근거리 필드에서 상이한 형상들의 강도 분포를 갖는 2개의 VCSEL들을 포함할 수 있다. 그 후 작업 평면에서의 빔 프로파일의 형상은, 2개의 VCSEL들 중 하나만을 동작시킬 때 이들 2개의 형상들 사이에서 스위칭될 수 있고, 또는 양쪽 VCSEL들을 동시에 동작시킬 때 그 2개의 형상들의 혼합으로 스위칭될 수 있다. 레이저 장치의 출력 전력을 증가시키기 위하여 제1 및 제2 VCSEL들 중 2 이상을 이용하는 것도 명백히 가능하다. 이들 VCSEL들 모두는 개별적으로 스위칭 가능할 수 있고 또는 그룹으로, 예를 들면 하나의 유형의 모든 VCSEL들 및 제2 유형의 모든 VCSEL들이 스위칭 가능할 수 있다.
작업 평면에서의 강도 분포의 가능한 형상들을 증가시키기 위하여, 바람직하게는 제3 및 심지어 추가의 VCSEL들이 어레이에 제공되고, 제3 및 추가의 VCSEL들은 근거리 필드에서 제1 및 제2 형상과 다르고 서로 다른 형상들의 강도 분포를 갖는다. 결과로 생기는 작업 평면에서의 강도 분포는 동시에 동작하는 VCSEL들의 형상들에 의해 및 옵틱스의 배율에 의해 결정된다.
레이저 장치의 추가의 실시예에서는, 원하는 강도 분포에 매칭된 방출 영역의 형상들을 갖고 또한 각각의 VCSEL 및 다른 다수의 m개의 필드 렌즈들에 가까이 실장되어 VCSEL들의 n/m 서브그룹들 각각의 이미지들을 겹치게 하는 n개의 마이크로 렌즈들을 갖는 다수의 n개의 대면적 VCSEL들(n=a*m)이 제공되고, a = 2, 3, 4, ...이다. 이 실시예에서 결과로 생기는 강도 분포는 대응하는 시간 및 배율에서 동작하는 각각의 서브그룹의 VCSEL들의 형상에 의해 각각 결정되는 다수의 m개의 스폿들이다. 이 실시예에서, 강도 분포는 따라서 각각의 서브그룹에 대하여 평균된다. 각각의 서브그룹의 모든 VCSEL들은, 다른 서브그룹들의 VCSEL들과 관계없이, 제어 유닛에 의해 공통으로 스위칭될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 어레이의 모든 VCSEL들을 공통으로 스위칭하는 것 또는 서브그룹의 각각의 VCSEL의 개별적인 디밍 및/또는 스위칭을 추가로 허용하는 것도 가능하다.
레이저 장치의 추가의 유리한 실시예에서 옵틱스는 작업 평면에서 연속적인 레이저 라인을 생성하도록 레이저들의 인접한 서브그룹들의 활성층들을 나란히 이미징하도록 설계되고 배열된다. 각각의 서브그룹으로 형성된 겹친 이미지들은 접촉하거나 약간 오버랩하여 연속적인 라인을 형성한다. 바람직하게는, 그러한 경우에 각각의 서브그룹의 레이저들은, 근거리 필드에서 제2 방향 또는 y 방향으로 칭해지는 라인 두께의 방향으로보다, 제1 방향 또는 x 방향으로 칭해지는 형성될 라인의 방향으로 더 긴 연장을 갖는 형상들을 갖는 직사각형 또는 평행 사변형과 같은 강도 분포를 갖는 레이저 빔들을 방출하도록 설계된다. y 방향으로 강한 포커싱이 요구되고, 다수의 개개의 레이저들의 강도 프로파일들의 강한 평균 및 오버래핑이 선호된다. x 방향으로 예를 들면 1 m 초과의 큰 연장 및 y 방향으로 예를 들면 5 mm 미만의 작은 연장만을 갖는 연속적인 레이저 라인을 달성하기 위하여, 다음의 몇몇의 수단들이 가능하고, 이것들은 또한 조합될 수 있다:
- y 방향으로 방출 영역의 작은 치수 및 x 방향으로 큰 치수 - 이는 연장된(elongated) 형상, 예를 들면, 2:1보다 큰 가로세로비를 갖는 직사각형 형상(또는 또한 평행 사변형 형상, 사다리꼴, 삼각형, ...)을 갖는 VCSEL들에서 가능함 -;
- y 방향으로 및 x 방향으로 개개의 VCSEL들의 중심들 사이의 상이한 피치(= 거리);
- 서로에 대하여 90°회전되고 그 어레이의 초점 거리를 레이저와 렌즈 사이의 재료의 굴절률로 나눈 것과 같은 레이저들로부터의 거리에 배치되는 2개의 원통형 렌즈 어레이들의 사용에 의해 양쪽 방향으로 상이한 초점 거리들.
레이저 장치의 추가의 실시예에서, 옵틱스는 마이크로 렌즈들의 어레이를 포함하고, 상기 마이크로 렌즈들은 제1 방향에 수직인 제2 방향으로보다 제1 방향으로 더 긴 연장을 갖는, 연장된 개구, 특히 타원형 또는 직사각형 개구를 갖는다.
레이저 장치의 다른 실시예에서, 옵틱스는 레이저들과 작업 평면 사이에 앞뒤로 배열되어 있는 원통형 마이크로 렌즈들의 제1 및 제2 어레이를 포함하고, 제1 어레이의 원통형 마이크로 렌즈들은 그들의 원통축이 제1 방향에 수직으로 배향되어 있고, 제2 어레이의 원통형 마이크로 렌즈들은 그들의 원통축이 제1 방향에 수직인 제2 방향에 수직으로 배향되어 있고, 제1 방향으로보다 제2 방향으로 레이저 방사의 더 강한 포커싱을 허용하기 위하여 제1 어레이의 원통형 마이크로 렌즈들과 상이한 초점 거리를 갖는다.
레이저 장치의 추가의 실시예에서, 제1 방향으로 스텝 모양(step like) 강도 프로파일이 달성되도록, 마이크로 렌즈들의 어레이와 작업 평면 사이에 원통형 렌즈들의 어레이가 배열된다.
레이저 장치의 다른 실시예에서, 옵틱스는 마이크로 렌즈들의 어레이를 포함하고, 상기 마이크로 렌즈들은 제1 방향에 대해 0°보다 크고 45°이하의 각도로 더 긴 연장을 갖는 연장된 개구, 특히 타원형 또는 직사각형 개구를 갖는다.
레이저 장치의 추가의 실시예에서, 옵틱스는 레이저들과 작업 평면 사이에 앞뒤로 배열되어 있는 원통형 마이크로 렌즈들의 제1 및 제2 어레이를 포함하고, 제1 어레이의 원통형 마이크로 렌즈들은 그들의 원통축이 제1 방향에 대해 45°이상 90°미만의 각도로 배향되어 있고, 제2 어레이의 원통형 마이크로 렌즈들은 그들의 원통축이 제2 방향에 대해 45°이상 90°미만의 각도로 배향되어 있고, 제2 방향은 제1 방향에 수직이며, 또한 제1 방향으로보다 제2 방향으로 레이저 방사의 더 강한 포커싱을 허용하기 위하여 제1 어레이의 원통형 마이크로 렌즈들과 상이한 초점 거리를 갖는다.
오버랩하는 겹친 이미지들의 경우에 근거리 필드에서 상이한 치수들의 직사각형 형상들을 갖는 레이저 빔들을 방출하도록 각각의 서브그룹의 레이저들을 설계하는 것이 유리하고, 상기 치수들은 작업 평면에서 일정한 중심 부분 및 계단식으로 감소하는 에지들을 갖는 겹친 강도 프로파일을 생성하도록 선택된다. 이것은 라인을 따라 일정한 강도를 갖는 연속적인 라인의 생성을 허용한다. 연속적인 라인의 생성 대신에 각각의 서브그룹의 겹친 이미지들의 적절한 형상들이 또한 나란히 투사되어, 작업 평면에서 2차원 방식으로, 서로 접촉하거나 약간 오버랩하여, 원하는 치수 및 형상의 연속적인 영역을 형성할 수 있다.
연속적인 레이저 라인을 생성하는 그러한 레이저 장치는 인쇄, 롤투롤(roll to roll) 제조 프로세스들 및 라인 방향에 수직인 방향으로 가열 라인 아래로 지나가는 다른 물체들을 위해 이용될 수 있다. 예들은 인쇄 기계에서 건조 라인의 생성, 코팅의 건조/경화를 위한 것, 아교 또는 라미네이션을 위한 것, 납땜 또는 플라스틱 용접을 위한 것 또는 반도체 어닐링을 위한 것이다. 다른 응용들은 금속 또는 플라스틱의 가열, 탈모, 피부 치료 또는 제조에서 아교 및 페인트의 건조이다.
일 실시예에서 VCSEL 어레이의 전방에 사용되는 옵틱스는 마이크로 렌즈들의 어레이 - 각각의 마이크로 렌즈는 대응하는 VCSEL의 전방에 그리고 그것에 가까이 배치됨 -, 및 마이크로 렌즈 어레이의 전방의 하나 또는 몇몇의 근거리 필드 렌즈들을 포함한다. 옵틱스는 어레이의 모든 VCSEL들에 대하여 동일한 배율을 포함할 수 있지만 또한 어레이의 상이한 서브그룹들에 대하여 상이한 배율 계수들(magnification factors)을 제공할 수 있다. 어레이의 개별 서브그룹들에 대한 상이한 배율 계수들은 예를 들면 활성층에 대한 마이크로 렌즈들의 상이한 반경들 및 거리들에 의해 실현될 수 있다.
추가의 실시예에서, 옵틱스는 각각의 VCSEL에 가까이 실장된 마이크로 렌즈들의 어레이를 포함할 수 있고, 활성층까지의 거리 및 마이크로 렌즈들의 초점 거리는 VCSEL의 형상을 작업 평면에 이미징하도록 선택된다. 중심 VCSEL 축 또는 빔 축에 관하여 마이크로 렌즈들의 비축 실장(off axis mounting)은 어레이의 또는 어레이의 개별 서브그룹들의 모든 이미지들을 작업 평면에서 겹치게 하는 것을 허용한다.
작업 평면에서의 강도 분포에 더 영향을 끼치기 위하여, 옵틱스는 VCSEL들의 근거리 필드에서의 강도 분포들의 선명하지 않은(non sharp) 이미지가 작업 평면에서 형성되도록 설계될 수 있다. 이것은 마이크로 렌즈들의 반경들 또는 거리들을 적응시키는 것에 의해 달성될 수 있고 대응하는 서브그룹 또는 어레이에 대하여 번지고(smeared out) 부드러운 강도 분포를 생성한다. 이것은 또한 정상의 탑햇 강도 분포의 추가의 변경들을 허용한다.
작업 평면에서의 강도 분포의 기하학적 형상의 스위칭은 VCSEL 어레이의 VCSEL들의 상이한 조합들 사이에서 스위칭하는 것에 의해 얻어진다. 이것은 단일 VCSEL들을 개별적으로 스위칭하는 것에 의해 또는 VCSEL들의 상이한 서브그룹들 사이에서 스위칭하는 것에 의해 달성될 수 있다. 그러므로, VCSEL들 또는 서브그룹들의 개별적인 전기적 어드레싱을 통하여 작업 평면에서 상이한 강도 분포들이 생성될 수 있다. 또한 단일 VCSEL들 또는 서브그룹들을 연속적으로 디밍하는 것이 가능하다. 결과는 원하는 강도 프로파일의 조정에서의 매우 큰 자유도이다.
제안된 레이저 장치는 청구항들에 의해 정의된 보호 범위를 제한하지 않고 첨부 도면들과 관련하여 예로서 다음에 설명된다.
도 1은 VCSEL의 근거리 필드 강도 분포의 형상의 2개의 예들이다.
도 2는 제안된 레이저 장치의 제1 실시예의 개략도이다.
도 3은 제안된 레이저 장치의 제2 실시예의 개략도이다.
도 4는 제안된 레이저 장치의 제3 실시예의 개략도이다.
도 5는 제안된 레이저 장치의 제4 실시예의 개략도이다.
도 6은 제안된 레이저 장치의 제5 실시예의 개략도이다.
도 7은 어레이의 VCSEL들의 방출 영역의 예시적인 형상들이다.
도 8은 작업 평면에서의 예시적인 강도 분포이다.
도 9는 중간 모듈의 강도 프로파일 및 옵틱스를 갖는 적층된 레이저 모듈들의 예이다.
도 10은 6개의 레이저 모듈들을 적층시키는 것에 의한 레이저 라인의 생성의 예이다.
도 11은 상이한 빔 프로파일들의 적층 및 통합된 강도에 대한 정렬 불량의 영향을 도시한다.
도 12는 제안된 레이저 장치의 추가의 실시예의 개략도이다.
도 13은 스텝 모양 통합된 강도 프로파일을 생성하기 위한 직사각형 형상들의 오버래핑의 예이다.
도 14는 제안된 레이저 장치의 추가의 실시예의 개략도이다.
도 15는 제안된 레이저 장치의 추가의 실시예의 개략도이다.
도 16은 제안된 레이저 장치의 추가의 실시예의 개략도이다.
도 17은 제안된 레이저 장치의 추가의 실시예의 개략도이다.
도 18은 제안된 레이저 장치의 추가의 실시예의 개략도이다.
도 19는 제안된 레이저 장치의 추가의 실시예의 개략도이다.
근거리 필드에서의 대면적 VCSEL들의 강도 분포는 VCSEL의 산화물 개구의 형상에 의해, 양자 주입의 형상에 의해, 메사의 형상에 의해 또는 VCSEL의 콘택트 기하학의 형상에 의해 설정될 수 있다. 도 1은 산화물 개구의 상이한 형상들로 달성되는 근거리 필드에서의 그러한 강도 분포의 2개의 예들을 보여준다. 좌측에서는 원형 산화물 개구에 의해 원형 형상이 달성된다. 우측의 꽃잎 형상의 강도 분포는 동일한 형상을 갖는 산화물 개구에 의해 달성된다. 양쪽 예들의 강도 프로파일은 상당히 균일하고, 간섭 패턴(도면에는 도시되지 않음)에 의해 약간만 변조된 큰 각도 푸리에 모드들에 대한 선명한 에지들을 갖는다. 제안된 레이저 장치에서 상기 2개의 형상의 산화물 개구들을 갖는 2개의 대면적 VCSEL들을 이용하여, 단지 이 2개의 VCSEL들 사이에서 스위칭하는 것에 의해 이 2개의 형상의 강도 프로파일 사이에서 작업 평면에서의 강도 분포를 스위칭하는 것이 가능하다. 2개의 VCSEL들을 동시에 동작시킬 때, 2개의 겹쳐진 강도 프로파일들의 강도 프로파일이 달성된다. 어레이에서 사용되는 VCSEL들의 펌핑된 영역의 형상에 따라서, 단지 개별 VCSEL들의 적절한 전기적 제어에 의해 제안된 레이저 장치를 이용하여 다수의 상이한 형상의 강도 프로파일이 생성될 수 있다. 작업 평면에서의 상이한 형상의 강도 프로파일 사이에서 스위칭하는 것은 VCSEL 어레이의 전방의 옵틱스의 어떤 변경도 요구하지 않는다.
도 2는 제안된 레이저 장치의 실시예의 개략도를 보여준다. 이 레이저 장치는 기판(102) 상에 모놀리식으로(monolithically) 통합된 대면적 VCSEL들(101)의 어레이로 이루어진다. 레이저들의 방출은 마이크로 렌즈 어레이(201)로 시준되고, VCSEL들의 활성층들과 마이크로 렌즈들 사이의 거리(401)는 이 마이크로 렌즈들의 유효 초점 거리와 같다. 제2 렌즈(202)는 작업 평면(501) 상에 그것의 초점 거리와 같은 거리(402)에서 이미지들을 결합한다. 이미지들의 배율은 마이크로 렌즈들 및 제2 렌즈(202)의 초점 거리의 비율에 의해 설정된다. 단일 VCSEL들의 방출 영역의 형상은 작업 평면(501)에서의 강도 프로파일을 결정한다. 이들 VCSEL들의 형상들을 적절히 선택하는 것에 의해, 작업 평면에서 원하는 강도 프로파일이 생성될 수 있다. 또한, 근거리 필드에서의 상이한 형상의 강도 분포로 귀결되는 상이한 형상의 산화물 개구 또는 다른 특징들을 갖고, 개별적으로 스위칭 가능하도록 VCSEL 어레이의 적어도 2개의 VCSEL들(101)을 선택할 때, 이들 2개의 강도 분포들 사이의 스위칭은 이들 레이저들 사이에서 스위칭하는 것에 의해 달성될 수 있다.
도 3에 따른 제안된 레이저 장치의 다른 실시예에서, 제2 렌즈는 마이크로 렌즈들을 포함하는 기판(203) 상에 통합된다. 이 구성은 또한 2개의 레이저 장치들에 대하여 도 3에서 도시된 예시와 같이, 몇 개의 레이저 장치들의 적층을 허용한다. 전체 레이저 장치는 VCSEL들(101)의 2개의 서브그룹들을 포함한다. 각각의 서브그룹에 대한 근거리 필드 옵틱스는 그것의 VCSEL들의 강도 분포를 작업 평면(501)에서 다른 서브그룹들의 위치와 다른 하나의 위치에 이미징한다. 각각의 서브그룹을 개별적으로 어드레싱하는 것에 의해, 예를 들면 인쇄 응용들이 실현될 수 있다.
도 4는 처프(chirped) 마이크로 렌즈 어레이(204)가 이용되는 제안된 레이저 장치의 추가의 실시예를 보여준다. 이 처프 마이크로 렌즈 어레이는 VCSEL 어레이의 VCSEL들(101) 사이의 피치보다 약간 더 작은 단일 렌즈들 사이의 피치를 갖는다. 거리(403)는 각각의 마이크로 렌즈가 거리(404)에서 하나의 레이저를 이미징하도록 하는 것이다. 처프(chirp) 때문에, 모든 이미지들이 작업 평면에서 하나의 단일 이미지(511)로 오버랩하고 강도 분포는 모든 근거리 필드들의 합계에 의해 주어져서, 약간 번지는데, 이는 이미지들이 평행한 평면들에 놓이지 않기 때문이다.
도 5는 제안된 레이저 장치의 추가의 실시예를 보여준다. 이 실시예에서, 마이크로 렌즈 어레이(205)는 접합에 의해 레이저 기판(102)에 직접 실장된다. 이 수단으로, 웨이퍼 레벨 프로세스에 의해 제조가 이루어질 수 있으므로 정렬 노력 및 비용이 감소된다.
제안된 레이저 장치의 한층 더 다양한 실시예에서는, 제어 유닛(601)에 의해 개별적으로 어드레싱될 수 있는, 상이한 형상의 방출 영역들의, 및 옵션으로 또한 상이한 사이즈의 VCSEL들의 몇몇의 서브그룹들(111 내지 114)이 제공된다. 상이한 서브그룹들의 전력 레벨들을 조정하는 것에 의해, 작업 평면에서의 원하는 강도 분포들(520)이 설정될 수 있다.
이 예에서, 서브그룹들(111 내지 114) 내의 상이한 VCSEL들의 펌핑된 영역의 형상들이 도 7에 도시되어 있다. 도면은 4개의 상이한 형상(121 내지 124)의 펌핑된 영역 및 따라서 VCSEL들의 근거리 필드에서의 강도 분포를 보여준다. 이 예에서, 중심 영역에서의 더 작은 강도로 또는 아무런 강도 없이 계단식 가우스형 분포(521)로부터, 탑햇 분포(522)를 넘어, 디핑된 탑햇(dipped top-hat)(523)까지 변하는 원형 빔 프로파일들이 달성될 수 있다(도 8 참조). 작업 평면(520)에서의 이들 상이한 강도 분포들(521 내지 523)은 단지 상이한 서브그룹들(111 내지 114)을 적절히 제어하는 것에 의해 달성될 수 있다. 물론 정사각형 또는 직사각형, 원형 또는 타원형 형상의 펌핑된 영역 및 따라서 VCSEL들의 방출 영역을 선택하는 것에 의한 다른 및 더 복잡한 강도 패턴들이 가능하다. 또한 많은 다른 형상들이 큰 직경 레이저들에 대하여 상당히 잘 작용한다.
어레이의 상이한 VCSEL들의 제어를 개선하기 위하여, 각각의 서브그룹으로부터 오는 전력 레벨이 측정되고 제어 유닛으로의 피드백 루프에 공급될 수 있다. 전력 레벨은 예를 들면 시간 다중화(time multiplexing)에 의해 또는 각각의 빔의 작은 부분(small fraction)을 분할하는 것에 의해 측정될 수 있다. 이 수단으로, 작업 평면에서의 강도 분포가 정확히 제어될 수 있다.
레이저에 대한 일부 응용들은, 측면 길이들의 높은 비율을 갖는 탑햇 직사각형 프로파일들을 의미하는, 균일한 라인 형상의 강도 프로파일들을 요구한다. 응용들은 금속 또는 플라스틱의 가열, 탈모, 피부 치료 또는 제조에서 아교 및 페인트의 건조일 수 있다.
회절 광학 소자들(DOE: diffractive optical elements)을 갖는 고출력 레이저로부터 만들어진 레이저 라인들은 유용한 사이즈 및 또한 균일성에서 제한된다. 또한, 그러한 장치들은 DOE의 변경 없이는 스케일링 가능하지 않다. 섬유 결합된 다이오드 레이저 바들로부터 만들어진 레이저 라인들은 매우 타이트한 조정 공차들(adjustment tolerances)을 갖고 매우 값비싸다.
본 발명에 따른 장치를 이용하여 그러한 레이저 라인은 간단한 방법으로 생성될 수 있다. 이 태스크를 위한 레이저 장치의 어레이는 다수의 인접한 VCSEL들의 서브그룹들을 포함한다. 각각의 서브그룹은 레이저 라인의 일부인 균일한 강도 분포의 레이저 방사를 생성한다. 그러한 경우 어레이의 단일 서브그룹들은 개별 레이저 모듈들(103)로 형성될 수 있고, 각각의 모듈은 VCSEL들의 어레이를 포함한다. 작업 평면에서의 강도 분포(524)의 치수들 x2 및 y2는 레이저 모듈들(103)의 레이저들의 방출 영역의 사이즈 및 형상, 각각의 레이저의 전방의 마이크로 렌즈들의 초점 거리 및 거시적 렌즈들(206)의 초점 거리에 의해 결정된다(도 9 참조). 6개의 레이저 모듈들(103)에 대하여 도 10에 도시된 바와 같이 프로파일들이 서로 나란히 적층되어 연속적인 레이저 라인(525)을 형성하도록, x2는 하나의 레이저 모듈(103)의 길이 x1보다 클 것이다. 이것은 적층된 레이저 모듈들(103) 사이의 갭들을 막는 것을 허용하고, 이는 전기 연결, 냉각, 광학 마운트 등을 위해 필요하다.
강도 또는 더 정확하게는 y 방향으로 통합된 강도의 균일성은 작업편(working piece)에서 균일한 온도 프로파일들을 달성하기 위해 매우 중요하다. 가파른 에지들을 갖는 강도 프로파일은 적층을 위해 타이트한 조정 공차들을 요구하므로, 바람직하게는 더 많은 공차들을 허용하는 특별한 강도 프로파일들이 생성된다. 이것은, 예를 들면, (강도에 관하여) x 방향으로 스텝 모양 에지들을 갖는 평행 사변형 형상의 강도 프로파일들 또는 직사각형 형상들일 수 있는데, 이는 강도 분포에서 오버랩하는 피크들 또는 구멍들이 x 방향으로 더 긴 거리에 걸쳐서 번지기 때문이다.
이것은 도 11에 예시적으로 도시되어 있는데, 상이한 빔 프로파일들(526)(작업 평면에서의 강도 분포)의 적층 및 통합된 강도에 대한 정렬 불량의 영향이 단순한 직사각형 및 평행 사변형 형상의 강도 프로파일들(526)에 대하여 증명된다.
레이저 라인을 따른 균일한 강도 분포는 상이한 기법들로 달성될 수 있다. 제1 기법은 VCSEL들의 방출 영역을 평행 사변형 형상(또는 삼각형 등)으로 만드는 것인데, 이것은 VCSEL 어레이를 제조할 때 웨이퍼의 처리 동안에 쉽게 행해질 수 있다. 많은 VCSEL들(101)이 하나의 기판(102) 상에 결합된다. 대면적 VCSEL들(101)의 특별한 특성 때문에, 방출 영역은 균일하게 채워진다. 도 12에 도시된 바와 같이 각각의 레이저의 광은 초점 거리(401) f1으로 마이크로 렌즈 어레이(201)에 의해 시준되고 그 후 레이저 모듈의 근거리 필드는 초점 거리(402) f2로 렌즈(202)의 초점 평면에서 이미징된다. 단일 레이저의 방출 영역 곱하기 배율 M = f2/f1은 모듈들 사이의 갭들을 막기 위해 x 방향으로 레이저 모듈의 사이즈보다 커야 한다. y 방향으로 빔의 사이즈는 상이한 초점 거리 fx 및 fy를 갖는 2개의 원통형 렌즈들에서 렌즈(202)를 분리하는 것에 의해 더 크거나 더 작을 수 있다(바람직하게는 얇은 라인에 대하여 더 작을 수 있다)(예를 들면 도 9 및 10 참조). 레이저 라인(525)의 길이는 많은 레이저 모듈들을 서로의 옆에 적층하는 것에 의해 설정된다.
제2 기법은 x 방향으로 상이한 길이들 ai를 갖는 직사각형 방출 영역의 많은 레이저들을 오버랩하는 것에 의해 스텝 모양 에지들을 갖는 강도 분포를 생성하는 것이다. 전기 드라이버를 용이하게 하기 위하여, 모든 레이저들은 동일한 사이즈의 방출 영역(즉, ai·bi = 상수)을 가져야 하고, 따라서 동일한 임계 전류 및 전압 곡선을 가져야 한다. 일례가 도 13에서 주어진다. 상이한 측면 길이들 ai 및 bi를 갖지만 동일한 사이즈 A = ai·bi의 방출 영역을 갖는 상이한 직사각형 형상의 방출 영역(701)을 갖는 VCSEL들의 근거리 필드의 이미지들이 작업 평면에서 오버랩된다(오버랩된 강도 분포(527) 참조). 그 후 y 방향으로 통합된 강도는 bi*Ni*ISingle과 같은 스텝 I의 스텝 높이를 갖는 스텝 모양 프로파일이고, 여기서 Ni는 이 형상을 갖는 단일 레이저들의 총수들이고 ISingle은 하나의 레이저의 강도이다. 차이 Δai = ai - ai +1은 모든 i에 대하여 같아야 한다. 수들 Ni의 비율을 길이 bi = A/ai의 비율에 매칭시키는 것에 의해 모든 위치들에서 동일한 강도 스텝이 달성될 수 있다.
제2 기법의 변형에서 스텝 모양 에지들을 갖는 강도 분포는 x 방향으로 상이한 길이들 ai를 갖고 동일한 길이 b를 갖는 직사각형 방출 영역의 많은 레이저들을 오버랩하는 것에 의해 형성된다. 이것은 더 부드러운 에지들을 갖는 레이저 라인으로 귀결된다. 그러한 경우에 레이저들을 구동하기 위한 동일한 임계 전류 및 전압 곡선을 얻기 위하여, 동일한 사이즈의 방출 영역을 갖는 레이저들의 그룹들이 병렬로 전기적으로 연결되고 각각의 그룹의 레이저들의 수는 각각의 그룹이, 각각의 그룹의 레이저들의 방출 영역들의 합계인, 동일한 사이즈의 총 방출 영역을 갖도록 선택된다. 예를 들면, 각각이 사이즈 A1의 그것의 방출 영역을 갖는 10개의 레이저들의 그룹이 병렬로 연결되고, 각각이 A2 = 5/6 A1인 사이즈 A2의 그것의 방출 영역을 갖는 12개의 레이저들의 그룹이 병렬로 연결되고, 등등이다.
이하에서는, 연속적인 레이저 라인을 생성하기 위한 제안된 레이저 장치의 추가의 실시예들이 설명된다. 이들 실시예들의 기본적인 구성은 다음으로 이루어진다:
- 어레이 구성으로 납땜된 개별 VCSEL들, 모놀리식 VCSEL 어레이 또는 몇 개의 모놀리식 VCSEL 어레이들의 어레이일 수 있는, VCSEL들(101)의 어레이;
- 각각의 VCSEL(101)의 전방에 그 VCSEL로부터 방출된 방사를 시준하기 위한 렌즈를 갖는 마이크로 렌즈 어레이(201, 207, 208); 및
- 방사를 작업 평면(501)의 작업 거리에서 원하는 라인 두께 D로 포커싱하는 원통형 렌즈(제2 렌즈(202)).
라인 두께 D는 D = d * f2/f1에 의해 결정되고, 여기서 d는 y 방향으로 개별 VCSEL의 치수이고, f1은 마이크로 렌즈들의 초점 거리이고 f2는 원통형 렌즈의 초점 거리이다. 마이크로 렌즈들의 초점 거리는 VCSEL들의 발산 θ 및 2개의 개별 VCSEL들의 중심들 사이의 피치 p(=거리)에 의해 제한되는데, 이는 그것들의 방사가 마이크로 렌즈들의 평면에서 오버랩하지 않을 것이기 때문이다. 개별 마이크로 렌즈들의 개구는 이상적으로 피치와 같거나 약간 더 작다. 좁은 라인 및 큰 작업 거리를 동시에 달성하기 위해, VCSEL의 치수 d는 작아야 하고 VCSEL들 사이의 피치 p는 큰 초점 거리 f1을 허용하도록 커야 한다.
포커스에서 높은 강도를 달성하기 위해, 몇몇의 VCSEL들이 y 방향으로 적층되고, 제2 렌즈의 오프닝(opening)에 의해 제한된다. x 방향에서는, 상황이 완전히 다르다. 개별 레이저들의 고장 또는 레이저들 또는 옵틱스의 정렬 불량에 덜 의존하는 균일한 강도 프로파일을 얻기 위해, 레이저 라인의 각 점에서 가능한 한 많은 레이저들의 방사를 오버랩하는 것이 바람직하다. 따라서 마이크로 렌즈 어레이 뒤에 큰 발산 각도가 바람직하고, 이는 x 방향으로 VCSEL의 큰 치수 l 및 작은 피치를 허용하는 짧은 초점 거리를 의미한다.
둥근 또는 이차(quadratic) 개구를 갖는 구형 렌즈들로 이루어지는 마이크로 렌즈 어레이로, 피치 및 초점 거리는 양쪽 방향에 대하여 동일해야 하지만, VCSEL의 치수들은 상이할 수 있다. 그러한 실시예가 도 14에 도시되어 있고, 도 14의 (A)는 y 방향으로 도시를 나타내고, 도 14의 (B)는 x 방향으로 도시를 나타낸다. 도 2의 예에서와 같이, 레이저 장치는 기판(102) 상에 모놀리식으로 통합된 대면적 VCSEL들(101)의 어레이로 이루어진다. 레이저들의 방출은 마이크로 렌즈 어레이(201)로 시준되고, VCSEL들의 활성층들과 마이크로 렌즈들 사이의 거리(401)는 이들 마이크로 렌즈들의 유효 초점 거리와 같다. 이 예에서 제2 렌즈(202)는 작업 평면 상에 그것의 초점 거리와 같은 거리(402)에서 이미지들을 결합하는 원통형 렌즈이다. 주어진 작업 거리에 대하여 원통형 렌즈(제2 렌즈(202))의 초점 거리 f2는 고정된다. 레이저 라인(525)의 원하는 라인 폭 D는 비율 d/f1 또는 d/p를 제공한다. 열적인 이유로 작은 d 및 작은 피치 p의 조합이 바람직하지만, d는 근거리 필드에서 균일한 강도 프로파일을 얻기 위해 10 ㎛보다 더 커야 한다. 마이크로 렌즈들의 주어진 피치 p 또는 직경에 대하여, VCSEL의 다른 치수 l은 가능한 한 크게 만들어지고(도 14의 (A) 참조), 따라서 방사가 x 방향으로 마이크로 렌즈들의 완전한 개구를 채운다. y 방향으로는 렌즈의 완전한 개구가 이용되지 않는다(도 14의 (B) 참조).
이것은 동일한 초점 거리를 갖지만, 그것의 더 긴 축이 x 방향으로 배향되어 있는 타원형 또는 직사각형 개구를 갖는 마이크로 렌즈들을 이용하는 것에 의해 최적화될 수 있다. 그 후 레이저들의 피치는 양쪽 방향에 대하여 상이하여 x 방향으로의 피치 px에 비하여 y 방향으로 더 작은 피치 py를 갖고, 따라서 방출이 양쪽 치수로 완전한 개구를 채운다. 이것은 y 방향으로 더 많은 수의 레이저들 및 따라서 레이저 모듈의 더 높은 전력 밀도로 귀결된다. 그러한 실시예가 도 15에 도시되어 있고, 도 15의 (A)는 y 방향으로 도시를 나타내고, 도 15의 (B)는 x 방향으로 도시를 나타낸다. 마이크로 렌즈 뒤의 발산 각도 θ'는 VCSEL 치수 및 초점 거리들의 비율에 의존하므로, 양쪽 방향에 대하여 발산 각도들이 상이할 수 있다. y 방향으로 θ'y = d/f1은 큰 작업 거리로 작은 라인에 포커싱을 허용하기 위해 작아야 하는 반면, θ'x = l/f1은 x 방향으로 개별 레이저 빔들의 강한 혼합을 위해 커야 한다. 양쪽 방향으로 상이한 개구들을 갖는 마이크로 렌즈 어레이의 사용으로, 양쪽 요건들은 큰 l과 조합된 큰 개구 ax 및 VCSEL의 작은 d와 조합된 작은 개구 ay를 갖는 것에 의해 충족될 수 있다. VCSEL들(101)의 연장된 설계 및 마이크로 렌즈 어레이(201)의 마이크로 렌즈들의 상호 관련하는 연장된 개구가 도 15의 (A)/(B)에서 인지될 수 있다.
추가의 실시예에서는 도 16에서 도시된 바와 같이 2개의 원통형 마이크로 렌즈 어레이들(207, 208)이 앞뒤로 이용된다. 도 16의 (A)는 y 방향으로 도시를 나타내고, 도 16의 (B)는 x 방향으로 도시를 나타낸다. 제1 어레이(207)의 원통형 마이크로 렌즈들은 제2 어레이(208)의 원통형 마이크로 렌즈들에 수직으로 배향된다. 이것은 양쪽 방향에 대하여 상이한 초점 거리들(상이한 거리들(405, 406)에 대응함)을 허용하고 따라서 발산 각도들 θ'x 및 θ'y를 설정하는 가능성들을 증가시킨다. 제1 및 제2 원통형 마이크로 렌즈 어레이들(207, 208)은 도 16의 (A)/(B)에 도시된 바와 같이 2개의 개별 렌즈 어레이들 또는 반대편 위치들에 렌즈 어레이들을 갖는 하나의 기판일 수 있다. 기판의 두께는 기판의 굴절률로 나눈 초점 거리 f1,x 및 f1 ,y의 차이에 의해 결정된다.
상기 실시예들에서는 마이크로 렌즈들의 연장된 개구의 더 긴 축이 x 방향으로 배향되고 마이크로 렌즈들의 교차된 어레이들의 원통 축이 x 방향에 수직 또는 평행으로 배향되지만, 이 축들은 x 방향으로부터 45°이하의 각도만큼 경사질 수도 있다(x 및 y 방향에 수직인 z 축에 대하여 회전). 그러한 수단으로 레이저 라인을 따라서 특별한 강도 분포가 생성될 수 있다.
레이저 모듈들(103)을 이용할 때, 예를 들면, VCSEL-칩들, 서브마운트들, 옵틱스, 히트 싱크들 등의 사이즈에 대한 제조 또는 실장 제한으로 인해 갭들이 나타날 것이다. 이들 갭들은 도 9 및 10에 대하여 이미 설명된 바와 같이 균일성을 방해하는 강도 프로파일에서의 딥들(dips)을 도입할 수 있다. 제안된 레이저 장치에서, 갭 피치 g(=갭 주기성)는, 마이크로 렌즈들 뒤의 발산 각도 θ'x 및 레이저와 작업 평면 사이의 거리 S에 의해 대략 주어지는, 작업 평면 상의 개별 레이저의 강도 프로파일의 x 방향으로의 사이즈 l'에 매칭된다. 이것은 도 17에 개략적으로 도시되어 있다. 길이 l' = tan(θ')*S에 대하여, 갭 피치 g는 l'/N이어야 하고 여기서 N은 임의의 정수이다. 조건 g = l'은 작업 평면에서만 정확히 충족되므로, 강도 프로파일은 작업 평면으로부터 더 멀어질수록 점점 더 불균일해질 것이다. 우리는 초점의 깊이를, 균일성에 대한 요건들이 충족되는, 작업 평면으로부터의 최대 거리 Δz로서 정의한다.
균일성, 초점의 깊이 및 정렬 공차들을 더 증가시키기 위해, 탑햇 프로파일 대신에 부드러운 통합된 강도 프로파일을 제공하도록 직사각형 형상과 상이한 VCSEL들의 형상들이 선택된다. 그러한 형상들은 이미 도 11과 관련하여 설명되었다. 이들 형상들은 예를 들면 평행 사변형, 사다리꼴, 삼각형, 6각형 또는 마름모꼴일 수 있다. 강도 프로파일의 숄더(shoulder) 부분이 더 클수록, 정렬 공차들 및 초점의 깊이는 더 크다.
제안된 레이저 장치의 추가의 실시예가 도 18에 도시되어 있다. 이 실시예에서는 x 방향으로 C개의 원통형 렌즈들(209)의 어레이가 추가되고, 원통형 렌즈들은 렌즈 어레이에서 작업 평면까지의 거리(402)와 같은 초점 거리 f2 ,x를 갖는다. 이것은 C개의 스텝들을 갖는 에지들에서 스텝 모양 강도 프로파일의 레이저 라인(525)을 제공하고, 여기서 C는 x 방향으로 레이저들의 수 Nx와 같거나 정수로 나눈 Nx와 같을 수 있다.
추가의 실시예들에서, 원통형 렌즈들(209)의 이 어레이는 또한 기울어지거나(z축 주위의 각도로 회전됨) 또는 동일한 초점 거리 및 정사각형 또는 직사각형 개구를 갖는 Ny×C개의 원통형 렌즈들(Ny는 y 방향으로 레이저들의 수)로 대체될 수 있다. 전자의 실시예에서 개별 렌즈들(209)은 Ny 부분들로 분할되고 x 방향으로 VCSEL로부터 y 방향으로 VCSEL로 약간 시프트된다.
제안된 레이저 장치의 추가의 실시예가 도 19에 도시되어 있다. 이 실시예에서는, 처프 마이크로 렌즈 어레이(204)(또는 동등한, 처프 레이저 어레이)가 이용되고, 따라서 렌즈들의 일부 1/K만이 레이저들에 대하여 중심에 배치되고, 여기서 K = Nx/N(N = 1, 2, 3,...)이다. 마이크로 렌즈들의 다른 그룹들은 모든 이미지들이 작업 평면 상에 등거리에 있고 레이저 모듈들(103) 사이의 갭 피치 g에 의해 야기된 갭들이 막히도록 상이한 거리들만큼 레이저들에 대하여 시프트된다.
제안된 레이저 장치의 마이크로 렌즈 어레이(들)는 VCSEL 어레이들이 납땜되는 동일한 절연 서브마운트들 상의 포스트들 상에 실장될 수 있다. 제안된 레이저 장치의 마이크로 렌즈 어레이(들)는 또한 VCSEL 어레이들에 직접 접합/땜납/접착될 수 있다. 레이저 모듈들을 이용할 때, 바람직하게는 몇몇의 모듈들이 공통 레일을 통하여 냉각제 서포트를 포함하는 공통 레일에 실장된다.
도면들 및 전술한 설명에서 본 발명이 상세히 예시되고 설명되었지만, 그러한 예시 및 설명은 제한적인 것이 아니라 설명적인 또는 예시적인 것으로 간주되어야 한다. 본 발명은 개시된 실시예들에 제한되지 않는다. 위에서 및 청구항들에서 설명된 상이한 실시예들은 또한 조합될 수 있다. 도면들, 명세서 및 부속된 청구항들의 연구로부터, 청구된 발명을 실시함에 있어 숙련된 당업자들에 의해 개시된 실시예들에 대한 다른 변형들이 이해되고 달성될 수 있다. 예를 들면, 어레이에서 사용되는 VCSEL들 및/또는 서브그룹들의 수가 제한된다. VCSEL들은 작업 평면에서 요구되는 근거리 필드에서의 임의의 형상의 그것의 강도 분포를 제공하도록 설계될 수 있다. 작업 평면에서 조합될 상이한 형상들의 수는 원하는 응용에만 의존한다. 또한, 근거리 필드에서 원하는 기하학적 형상의 강도 분포를 달성하기 위한 수단들은 개시된 예들에 제한되지 않는다.
청구항들에서 "포함한다(comprising)"라는 단어는 다른 구성 요소들 또는 단계들을 배제하지 않고, 부정관사("a" 또는 "an")는 복수를 배제하지 않는다. 수단들이 상호 다른 종속 청구항들에서 언급된다는 사실만으로 이들 수단들의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다. 청구항들에서의 참조 부호들은 이들 청구항들의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
101: VCSEL
102: 기판
103: 레이저 모듈
111-114: VCSEL들의 서브 그룹
121-124: 근거리 필드에서의 강도 분포의 형상들
201: 마이크로 렌즈 어레이
202: 제2 렌즈
203: 마이크로 렌즈들을 갖는 기판
204: 처프 마이크로 렌즈 어레이
205: 기판 상의 마이크로 렌즈 어레이
206: 거시적 렌즈들
207: 제1 마이크로 렌즈 어레이
208: 제2 마이크로 렌즈 어레이
209: 원통형 렌즈들의 어레이
401: 활성층과 마이크로 렌즈 사이의 거리
402: 작업 평면과 제2 렌즈 사이의 거리
403: 활성층과 마이크로 렌즈 사이의 거리
404: 마이크로 렌즈와 작업 평면 사이의 거리
405: 활성층과 제1 마이크로 렌즈 어레이 사이의 거리
406: 활성층과 제2 마이크로 렌즈 어레이 사이의 거리
501: 작업 평면
511: 작업 평면 내의 이미지
520: 작업 평면에서의 강도 분포
521-524: 작업 평면에서의 강도 분포
525: 레이저 라인
526: 빔 프로파일
527: 오버랩된 강도 분포
601: 제어 유닛
701: 방출 영역의 형상

Claims (15)

  1. 레이저 장치로서,
    몇몇의 대면적 수직 공진 표면 발광 레이저들(vertical cavity surface emission lasers)(101)의 어레이 - 상기 레이저들(101) 각각은 레이저 방사를 방출하는 활성층을 포함함 -, 및
    상기 어레이의 모든 레이저들(101) 또는 레이저들(101)의 서브그룹들의 활성층들에 의해 방출된 상기 레이저 방사가 작업 평면(501)에서 겹치도록 상기 작업 평면(501)에 상기 어레이의 상기 레이저들(101)의 상기 활성층들을 이미징하도록 설계되고 배열된 하나 또는 몇몇의 옵틱스(optics)(201, 202)
    를 포함하고,
    상기 레이저들(101)은 제어 유닛(601)에 의해 개별적으로 스위칭 가능한 제1 수직 공진 표면 발광 레이저 및 제2 수직 공진 표면 발광 레이저를 포함하고,
    상기 제1 수직 공진 표면 발광 레이저는 근거리 필드에서 제1 형상의 강도 분포(121-124)를 갖는 레이저 빔을 방출하도록 설계되고,
    상기 제2 수직 공진 표면 발광 레이저는 상기 근거리 필드에서 상기 제1 형상과 다른 제2 형상의 강도 분포(121-124)를 갖는 레이저 빔을 방출하도록 설계되어서, 상기 작업 평면에서의 레이저 빔 프로파일의 스위칭이 인에이블되도록 하는, 레이저 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저들(101) 중 적어도 일부는 상기 근거리 필드(near field)에서 상이한 형상들의 강도 분포(121-124)를 갖는 레이저 빔들을 방출하도록 설계되고, 상기 레이저들(101)은 상이한 기하학적 형상들 및/또는 상이한 직경들의 방출 영역 또는 방출 개구(emission aperture)를 포함하는 레이저 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 어레이는, 상기 제어 유닛(601)에 의해 개별적으로 스위칭 가능하고 상기 근거리 필드에서 상기 제1 및 제2 형상과 다른 하나 또는 몇몇의 추가의 형상들의 강도 분포(121-124)를 갖는 레이저 빔을 방출하도록 설계된 적어도 하나 또는 몇몇의 추가의 수직 공진 표면 발광 레이저들(101)을 포함하는 레이저 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 옵틱스(201, 202)는 마이크로 렌즈들(201)의 어레이 및 하나 또는 몇몇의 필드 렌즈들(202)을 포함하는 레이저 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 옵틱스(201, 202)는 마이크로 렌즈들(204)의 어레이를 포함하고, 상기 마이크로 렌즈들은 상기 레이저들(101)의 빔 축들에 대하여 비축으로(off axis) 배열되는 레이저 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 어레이는 n개의 수직 공진 표면 발광 레이저들(101)을 포함하고 상기 옵틱스(201, 202)는 n개의 마이크로 렌즈들 및 m개의 필드 렌즈들(202)을 포함하고, 여기서 n=a*m, a = 2, 3, ...이고, 각각의 마이크로 렌즈는 레이저(101)의 전방에 배열되고 각각의 필드 렌즈(202)는 상기 작업 평면에 레이저들(101)의 서브그룹의 강도 분포들을 이미징하도록 배열되어서, 상기 서브그룹의 모든 레이저들(101)의 상기 강도 분포들이 상기 작업 평면(501) 내의 위치에서 겹치도록 하고, 상이한 서브그룹들의 위치들은 서로 다른 레이저 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 옵틱스(201, 202)는 상기 작업 평면(501)에서 상기 활성층들의 선명하지 않은(non-sharp) 이미지를 생성하도록 설계되는 레이저 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 옵틱스(201, 202)는 상기 작업 평면(501)에 연속적인 레이저 라인(525) 또는 레이저 영역을 생성하도록, 레이저들(101)의 인접한 서브그룹들의 활성층들을 나란히 이미징하도록 설계되어 배열되고, 상기 레이저 라인(525)은 제1 방향으로 연장되는 레이저 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    각각의 서브그룹의 상기 레이저들(101)은 상기 근거리 필드에서 연장된(elongated) 형상들의 강도 분포를 갖는 레이저 빔들을 방출하도록 설계되고, 상기 연장된 형상들은 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향에서보다 상기 제1 방향에서 더 큰 연장을 갖는 레이저 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    각각의 서브그룹의 상기 레이저들(101)은 상기 근거리 필드에서 상이한 치수들의 직사각형 형상들을 갖는 레이저 빔들을 방출하도록 설계되고, 상기 치수들은 상기 작업 평면(501)에서 일정한 중심 부분 및 상기 레이저 라인(525)을 따라 계단식으로 감소하는 에지들을 갖는 겹친 통합된 강도 프로파일(superimposed integrated intensity profile)을 생성하도록 선택되는 레이저 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 레이저들(101)의 서브그룹들 각각의 전력을 제어하기 위한 제어 유닛(601) 및 상기 제어 유닛(601)에 연결된 측정 유닛을 더 포함하고, 상기 측정 유닛은 상기 제어 유닛(601)에 피드백을 제공하기 위해 개별 서브그룹들의 전력 레벨들을 측정하도록 설계되어 배열되는 레이저 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 옵틱스(201, 202)는 상기 작업 평면(501)에서 제2 방향으로 정확히 겹치도록 각각의 서브그룹의 모든 레이저들(101)의 활성층들을 이미징하도록 설계되고, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향에 수직인 레이저 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 옵틱스(201, 202)는 직교하는 방향들로 상이한 배율 계수들(magnification factors)을 제공하도록 설계되는 레이저 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 레이저들(101)의 서브그룹들 또는 상기 레이저들(101)의 서브그룹들의 그룹들은 갭에 의해 상기 제1 방향으로 서로 분리되고, 상기 옵틱스(201, 202)는 상기 작업 평면(501)에서 상기 제1 방향으로 상기 갭의 주기성의 정수배인 이미지 사이즈로 각각의 서브그룹의 상기 레이저들(101)의 활성층들을 이미징하도록 설계되는 레이저 장치.
  15. 삭제
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