KR20080003386A - 주파수 안정화된 수직 연장 공동 표면 발광 레이저 - Google Patents

주파수 안정화된 수직 연장 공동 표면 발광 레이저 Download PDF

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안드레이 브이 시체그로프
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Abstract

수직 연장 공동 표면 발광 레이저 (VECSEL) 는 공동 내부 주파수 더블링을 포함한다. 에탈론과 같은 종래 주파수 제어 엘리먼트는 박막 간섭 필터 또는 볼륨 브래그 그래이팅으로 대체된다.
표면 발광 연장 공동 레이저, 주파수 더블링, 출력 커플러, 비선형 크리스탈, 박막 간섭 필터, 볼륨 브래그 그래이팅

Description

주파수 안정화된 수직 연장 공동 표면 발광 레이저{FREQUENCY STABILIZED VERTICAL EXTENDED CAVITY SURFACE EMITTING LASERS}
본 발명의 기술 분야
본 발명은 일반적으로는 디스플레이 시스템에서의 사용을 위한 광원들에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 프로젝션 디스플레이 시스템에서 종래의 백색광 방전 램프를 대체하기 위하여 반도체 레이저들을 활용하는 것을 가리킨다.
본 발명의 배경
DLP (Digital light processing : 디지털 광 프로세싱) 는 회의실, 홈 텔레비젼 시스템, 광고 디스플레이, 자동차 계기판 및 헤드-업 디스플레이들 및 다른 에플리케이션에서 이미지들을 프로젝팅하는 것과 같은, 프로젝션 디스플레이 시스템에 관계가 있다. DLP 시스템의 광 엔진은 통상적으로 몇몇 다른 컬러들에서 광을 생성하는 데 요구되는 광원 및 다른 컴포넌트들을 포함한다. 개별적 컬러 컴포넌트들은 선택된 컬러 세기들을 갖는 개별적 픽셀들을 생성하기 위해서 공간적으로 변조된다. 추가적 광학 엘리먼트들은 광을 디스플레이상으로 포커싱한다.
DLP 시스템은 제어된 세기로 프로젝션 표면에서 픽셀들을 생성하기 위해서, 광원을 변조하는 공간 광 변조기를 통상적으로 포함한다. 광 밸브는 엘리먼트의 어레이를 가로질러 광을 변조하는 공간 광 변조기의 한 형태이다. 광 밸브 는 통상적으로 어레이를 가로질러 광 투과 또는 반사 특성을 변조한다. 예를 들면, 반사 액정 광 밸브는 액정 엘리먼트들의 어레이를 사용하여 어레이를 가로질러 반사된 광의 세기를 변조시킨다. 광 밸브의 다른 공통 형태는 디스플레이 표면 상으로 반사되는 픽셀 당 광의 양을 변화시키기 위해서 두 위치들 사이에서 개별적으로 틸트 (tilt) 될 수 있는 이동가능 마이크로 미러들의 어레이를 가진 (종종 "디지털 광 밸브" 로 불리는) 디지털 마이크로-미러 디바이스 칩이다. 디지털 미러 디바이스는 충분히 빠르게 스위칭하여 단일 공간 변조기가 컬러 연속 모드에서 동작하는 프로젝션 시스템에서 사용되도록 하게 할 수 있다. 이것은 느린 공간 변조기들을 갖는 컬러 변조기 설계마다 비용 절약을 제공할 수 있다.
종래에, 밝은 백색광은 디지털 프로젝션 시스템에 대한 광원으로 사용된다. 예를 들면, 밝은 백색 광원은 종종, Philips Electronics 에 의해서 개발되었던 매운 높은 휘도 초고압 (UHP : Ultra High Pressure) 아크 방전 램프를 사용해서 구현된다. 회전하는 컬러 휠이 백 광원로부터 적색, 녹색, 및 청색 광을 분리하기 위해서 사용된다. 따라서, 컬러 휠의 적색 필터가 백색 광원에 정렬될 때, 적색 광은 픽셀들의 적색에 대해서 공간 변조기 상으로 포커싱되며, 컬러 휠의 녹색 및 청색 필터에 대해서도 마찬가지이다.
종래의 DLP 시스템들에는 몇몇 단점들이 존재한다. 먼저, 이미지가 때때로 목적한 만큼 밝지 않다. 종래의 백색 광원들은 제한된 루멘의 광을 생성한다. 또한, 종래의 DLP 시스템들은 상당한 양의 광 에너지를 소모한다. 두번째로, 컬러 포화 (saturation) 과 같은, 디스플레이된 이미지의 몇몇 속성들은, 디스플레이된 이미지에 불순물 (artifact) 을 야기하는, 컬러 휠에 의해서 해로운 영향을 받는다. 세번째로, DLP 시스템들은 매우 비싼 광학 엘리먼트를 포함한다.
LED (Light Emitting Diode : 광 발광 다이오드) 는 백색 광원들의 하나의 대안이다. 하지만, 종래의 LED 광원들은 UHP 램프보다 더 비싼 경향이 있다. 추가적으로, 디스플레이 스크린에 커플링될 수 있는 루멘들의 개수 및 밝기는 통상적으로 UHP 램프들과 비교하여 LED들에 대하여 통상적으로 더 낮은 2 개의 인자이다. 결과적으로, LED 들은 프로젝션 디스플레이 시스템에서의 광원으로써 많은 제한을 가진다.
반도체 레이저들은 디스플레이 시스템에서 광원으로서 많은 잠재적 장점들을 가진다. 반도체 레이저들은 높은 밝기, 낮은 에텐듀 (etendue), 연장된 컬러 색역 (gamut), 및 변조에 대한 성능을 가진다. 예를 들면, 상이한 컬러들의 몇몇 불연속 레이저들은 패키징되어 상이한 컬러들로 광을 생성할 수 있다.
하지만, 종래 기술 반도체 레이저들은 디스플레이 시스템에 대해서 광원들로서 여러 결점을 가진다. UHP 백색 광원들과 비교할 때, 종래의 반도체 레이저들은 비용면에서 경쟁력이 없으며 더 낮은 전력 (즉, 광의 루멘의 전체 개수가 보다 작은) 을 가진다. 추가적으로, 반도체 레이저들은 통상적으로 반도체 레이저들의 높은 간섭성 때문에 수용할 수 없는 스페클 (speckle) 특성을 가진다. 디스플레이 시스템과 관련하여, 높은 수준의 스페클은 산란 중심으로부터 보강 간섭 및 상쇄 간섭으로 인해서 이미지 전역에 걸쳐 밝고 어두운 패치를 초래한다.
종래 기술에서 반도체 레이저들은 많은 프로젝션 디스플레이 에플리케이션에서 UHP 램프로는 비용면에서 경쟁력이 없다고 알려져있다. 예를 들면, 후방-프로젝션 텔레비젼 (RPTV) 에 대해서, 광원은 많아야 대략 $100 의 전체 비용에서 각각의 컬러에 대한 300 내지 600 루멘의 광을 제공할 수 있어야 하는 것으로 알려져있다. 예를 들면, 본 명세서에서 참조 문헌으로써으로써 그 내용이 포함된, Laser Focus World (2005 년 12 월) 의 K. Kincade "Optoelectronics Applications: Projection Displays: Laser based projector target consumer market" 를 참조한다. 레이저 기반 시스템에서, 300 내지 600 루멘은 각각의 컬러에 대해서 대략 3 내지 5 와트에 대응한다. 하지만, 종래 기술에서, 필수적 휘도 및 만족할만한 빔 성능을 가진 상업적으로 사용가능한 반도체 레이저는 RPTV 시스템에 요구되는 $100 의 전체 소매가격을 충족시킬 수 없다.
가시광 반도체 레이저들의 비용은 많은 인자들에 의존한다. 비선형 주파수 변환 프로세스는 적색, 녹색, 및 청색 (RGB) 컬러를 발생시키기 위해서 이용될 수도 있다. 하지만, 종래의 접근들은 제조하기 어려운 복잡한 시스템을 초래한다. 종래의 가시광 고전력 반도체 레이저들은 파장 제어, 편광 제어를 유지하고, 펌프 광원의 주파수 변환을 제공하는 다양한 광학 엘리먼트들을 요구한다. 예를 들면, Sunnyvale, California 의 Novalux, Inc 에 의해서 개발된 가시광 반도체 레이저의 ProteraTM 은 연장 공동 표면 발광 레이저 구조에 기초한다. 가시광을 발생시키기 위해서 설계된 연장 공동 레이저는 레이저의 존속기간 동안에 동 작 조건의 범위에 걸쳐 광학 특성을 안정화시키는 많은 광학 엘리먼트들을 포함한다. 추가적으로, 비선형 크리스탈은 펌프 광원을 주파수 더블링하는 것을 위해서 포함될 수도 있다. 광학 엘리먼트는 초깅에 정렬되어 적절한 정렬을 유지해야 하며, 이것은 제조 비용 및 제조 복잡성을 증가시킨다. 일반적으로 말하면, 고전력 가시광 반도체 레이저들의 제조 비용은 각각의 추가적 광학 엘리먼트가 패키징된 광학 디바이스에 추가되면서 증가된다. 게다가, 특정 정렬을 요구하는 각각의 광학 엘리먼트는 최종 레이저 어셈블리에 상당한 비용을 추가시킨다.
추가적으로, 반도체 레이저의 형태 인자는 프로젝션 디스플레이 시스템에서 또한 중요한 고려사항이다. 프로젝션 디스플레이 시스템의 전체 크기 면에서 시간에 따라 상당한 감축이 있어왔다. 예를 들면, 본 명세서에서 그 내용이 참조 문헌으로써으로써 포함된, Derra 등의 "UHP lamp systems for projection display applications" J. Phys. D: Appl. Phys. 38 (2005) 2995-3010 을 참조한다. UHP 램프의 소형화는 50 X 50 ㎟ 이하 또는 한쪽 면 상에 2 인치 이하로 UHP 램프의 반사기 크기를 감소시킨다. 직경 30 mm 를 가진 반사기들을 지닌 UHP 램프가 또한 일반적이며, 즉, 한 면상에 대략 1 인치의 사각 영역 (설계 목적을 위해서) 에 대응하는 영역이다. DLP 칩들은 통상적으로 (예를 들면, 몇몇 DLP 칩들에 대한 면당 대략 0.55 에서 0.75 의 범위에서) 일 인치 제곱보다 작은 활성 (마이크로-미러) 영역을 가진 대략 2 인치 제곱이다. 따라서, UHP 램프들은 크기면에서 대략 1 내지 2 입방 인치의 작은 형태 인자들에 빠르게 접근한다. 몇몇 마이크로디스플레이 에플리케이션에서, 훨씬 더 작은 볼륨들 (예를 들면, 1 입방 인치) 이 바람직하다. 비교를 위해서, Sunnyvale, California의 Novalux, Inc 에 의해서 개발된 고전력 가시광 연장 공동 표면 발광 반도체 레이저들의 ProteraTM 라인은 특정 컬러의 각각의 레이저에 대해서 대략 4 인치의 길이 (101.6 mm), 1.79"×1.59" 의 단면적 (44.5×44.5 mm2) 를 가진 11.6 입방 인치 패키지로부터 5 내지 20 mW 를 발생시킨다. ProteraTM 패키지는 에탈론 (etalon) 과 같은 파장 제어 엘리먼트, 편광 제어 엘리먼트, 표면 발광 이득 엘리먼트, 주파수 더블링 (doubling) 크리스탈, 및 다른 제어 엘리먼트에 대한 공간을 포함한다. 하지만, 프로젝션 디스플레이 시스템에서, 상이한 파장에서의 많은 ProteraTM 레이저들은 ProteraTM 레이저의 세트의 전체 볼륨이 종래의 UHP 램프와 비교하여 거대하도록 요구되는 전체 전력 및 파장의 범위를 가지도록 요구될 것이다.
종래 기술에서 해결되지 않은 다른 문제는 전체 광 엔진 해결방법의 일부분으로써 반도체를 가장 잘 이용하는 방법이 또한 있다. 반도체 레이저는 UHP 백색광 램프의 광학 특성과는 다른 광학 특성을 가진다. 따라서, UHP 램프의 반도체 레이저로의 단순한 직접 대체는 프로젝션 디스플레이 시스템에서 반도체 레이저의 잠재적 장점을 충분히 활용하지 않을 수도 있다.
따라서, 상술한 문제들의 관점에서, 본 발명의 장치, 시스템 및 방법이 개발되었다.
본 발명의 요약
VECSEL (Vertical Extended Cavity Surface Emitting Laser) 은 공동 내부 주파수 2 배기와 같은 공동 내부 주파수 변환을 포함한다. VECSEL에서 기본 주파수를 안정화시키기 위해 종래의 에탈론 필터 또는 복굴절 필터에 대한 요구를 제거하는 노치-필터 응답을 갖는 저-손실 필터에 의해 주파수가 안정화된다.
일 실시 형태에서, 공동 내부 박막 간섭 필터에 의해 주파수가 안정화된다. 박막 간섭 필터는 노치 필터로서 역할하고 일 실시 형태에서 패스 당 약 1% 이하의 광학 손실과 1 나노미터 이하의 대역폭을 갖는다.
다른 실시 형태에서, 스펙트럼 필터로서 볼륨 브래그 (Bragg) 그래이팅이 사용된다. 볼륨 브래그 그래이팅은 또한, VECSEL의 엔드 반사기를 사용할 수도 있다.
도면의 간단한 설명
본 발명은 수반된 도면에 대한 다음의 상세한 설명을 참조하여 충분히 잘 이해된다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 프로젝션 디스플레이에서의 사용을 위한 광원을 도시하는 사시도이다;
도 2 는 예시적 종래 기술 연장 공동 표면 발광 레이저를 도시한다;
도 3 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 광원에서의 사용을 위한 개별적 표면 발광 다이오드 레이저 이득 엘리먼트를 도시한다;
도 4 는 적색, 청색 및 녹색 또는 다른 컬러들의 어레이들이 마이크로-디스플레이 광 밸브 상으로 이후에 이미징되고, 그후 전방 또는 후방 프로젝션 디스플 레이 시스템 중 하나에서 다시 이미징되는 도파로 (light guide) 로 포커싱되는 프로젝션 디스플레이 시스템을 도시한다;
도 5 는 회절 광 엘리먼트가 광원내의 각각의 레이저 엘리먼트로부터의 원형 레이저 빔을 광 밸브의 전체 영역을 효율적으로 커버하도록 이후에 적용되고 그 후 전방 또는 후방 프로젝션 스크린 상으로 이후에 이미징되는 직사각형 톱-햇 (hat) 분배로 변환시키는 데 사용되는 프로젝션 디스플레이 시스템을 도시한다;
도 6 은 종래 기술 프로젝션 시스템을 도시한다;
도 7a 는 컬러 휠을 사용하는 종래 기술 프로젝션 시스템을 도시한다;
도 7b 는 블랭킹 (blanking) 기간에 도 7a 의 종래 기술 프로젝션 시스템의 컬러 휠 상의 빔 풋프린트를 도시한다;
도 7c 는 활성 기간에 도 7a 의 종래 기술 프로젝션 시스템의 컬러 휠 상의 빔 풋프린트를 도시한다;
도 8 은 종래 기술 공간 변조기를 도시한다;
도 9 는 도 8 의 공간 변조기의 엘리먼트내의 스위칭 기간을 도시한다;
도 10 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 광 엔진 시스템을 도시한다;
도 11a 는 열적 시간 상수보다 길거나 또는 비교될 만한 펄스에 대한 피크 전류의 함수로써 롤오버에서 최대 달성가능 cw 전력에 비교되는 기본 (점선 커브) 및 제 2 하모닉 (실선) 양자에서의 평균 전력의 계산된 전력 변화를 도시한다;
도 11b 는 열적 시간 상수보다 매우 짧은 펄스에 대한 피크 전류의 함수로써 롤오버에서 최대 달성가능 cw 전력에 비교되는 기본 (점선 커브) 및 제 2 하모닉 (실선) 양자에서의 평균 전력에서의 계산된 전력 변화를 도시한다;
도 12a 는 본 발명의 일 실시형태에 따라 서브 프레임 레벨에서 컬러를 인터리빙하는 것에 의해서 3 컬러들로부터 이미지내의 단일 픽셀에 대한 세기의 2 진 변조를 도시한다;
도 12b 는 본 발명의 일 실시형태에 따라 프레임 레벨에서 컬러를 인터리빙하는 것에 의해서 3 컬러들로부터 이미지내의 단일 픽셀에 대한 세기의 2 진 변조를 도시한다;
도 13 은 본 발명의 일 실시형태에 따라 컬러-연속 동작 동안에 언더-드라이빙 및 오버-드라이빙으로 단일 컬러 레이저 소스를 구동하는 방법을 도시한다;
도 14 는 종래 기술에 따라 공동 내부 스펙트럼 필터링에 대한 컴포넌트의 정렬을 도시한다;
도 15 는 종래 기술에 따라 300 미크론 두께 에탈론에 대한 파장으로 투과 응답을 도시한다;
도 16 는 본 발명의 일 실시형태에 따라 주파수 안정화를 위한 공동 내부 간섭 필터를 지닌 연장 공동 표면 발광 레이저를 도시한다;
도 17 은 본 발명의 일 실시형태에 따라 레이저 주파수 안정화를 위한 박막 간섭 필터 구조를 도시한다;
도 18 은 본 발명의 일 실시형태에 따라 간섭 필터를 형성하기 위한 박막 레이어들의 연속을 도시한다;
도 19 는 본 발명의 일 실시형태에 따라 간섭 필터를 위한 이론적 투과율 대 파장을 도시한다;
도 20 은 본 발명의 일 실시형태에 따라 간섭 필터를 위한 실험적 투과율 대 파장을 도시한다;
도 21 은 본 발명의 일 실시형태에 따라 주파수 제어를 위한 간섭 필터를 사용하는 표면 발광 공동 레이저 어레이를 도시한다;
도 22 는 본 발명의 일 실시형태에 따라 볼륨 브래그 그래이팅에 대한 실험적 반사율 대 파장을 도시한다;
도 23 은 본 발명의 일 실시형태에 따라 볼륨 브래그 그래이팅을 사용하는 연장 공동 레이저를 도시한다;
도 24 는 본 발명의 일 실시형태에 따라 볼륨 브래그 그래이팅을 사용하는 연장 공동 레이저 어레이을 도시한다;
도 25 는 본 발명의 일 실시형태에 따라 내부 주파수 더블링을 갖는 수직 연장 공동 표면 발광 레이저의 기능적 블록 엘리먼트를 도시한다;
도 26 은 본 발명의 일 실시형태에 따라 정렬 복잡성을 감소시키기 위해 일 광학 유닛에서 결합된 앤드 미러와 파장 제어 엘리먼트의 기능을 지닌 도 25 의 기능성 블록을 도시한다;
도 27 은 본 발명의 일 실시형태에 따라 정렬 복잡성을 감소시키기 위해 일 광학 유닛에서 결합된 앤드 미러, 파장 제어 엘리먼트, 및 비선형 크리스탈의 기능을 지닌 도 25 의 기능 블록을 도시한다;
도 28 은 본 발명의 일 실시형태에 따라 정렬 복잡성을 감소시키기 위해 일 광학 유닛에 결합된 앤드 미러, 파장 제어 엘리먼트, 비선형 크리스탈, 및 편광 제어 엘리먼트의 기능을 지닌 도 25 의 기능 블록을 도시한다;
도 29 는 본 발명의 일 실시형태에 따라 정렬 복잡성을 감소시키기 위해 다른 유닛으로 통합된 마이너 광학 컴포넌트의 기능을 지닌 도 25 의 기능 블록을 도시한다;
도 30 은 본 발명의 일 실시형태에 따라 볼륨 브래그 그래이팅 및 터닝 미러를 사용하는 연장 공동 표면 발광 어레이를 도시한다;
도 31 은 본 발명의 일 실시형태에 따라 볼륨 브래그 그래이팅, 비선형 크리스탈, 및 파장판을 포함하는 광학 유닛을 가진 연장 공동 표면 발광 어레이를 도시한다;
도 32a 는 본 발명의 일 실시형태에 따라 일 컬러의 표면 발광 레이저들의 어레이에 대한 패키징 설계를 도시하는 사시도이다;
도 32b 는 도 32a 의 패키지의 단면을 도시한다;
도 32c 는 본 발명의 일 실시형태에 따라 레이저들의 3 개의 패키징된 어레이의 사시도를 도시한다;
도 33 는 프로톤 삽입에 의해서 제한된 전기적 구동 전류를 가진 주파수 더블된 표면 발광 레이저 다이오드의 도면을 도시한다;
도 34 는 큰 직경 VECSEL 디바이스에 대한 측면적 광학 펌핑의 효과를 도시한다;
도 35 는 프로젝션 디스플레이에 대한 광원들로써 종래의 LED 및 UHP 소스들 을 지닌 표면 발광 레이저 어레이의 성능을 비교하는 차트이다.
유사한 참조 번호는 도면의 몇몇 그림을 통하여 유사한 부분을 나타낸다.
본 발명의 상세한 설명
Ⅰ. 프로젝션 디스플레이에 대한 연장 공동 표면 발광 광원의 기본 구조
도 1 은 광 프로세싱 (LP : light processing) 에 의해서 요구되는 여러 상이한 컬러들에서 광을 발생시키기 위한 광원 (100) 을 도시하는 윤곽도이다. 적-녹-청 (RGB) LP 시스템에서, 광원은 적색, 녹색 및 청색 광을 생성한다. 반도체 레이저들의 제 1 어레이 (105) 는 두 개 이상의 개별적 레이저들로부터 다수의 청색 광 빔들 (107) 을 발생시키는 데 사용된다. 반도체 레이저들의 제 2 어레이 (110) 는 두 개 이상의 개별적 레이저들로부터 다수의 적색 광 빔들 (113) 을 발생시키는 데 사용된다. 반도체 레이저들 (115) 의 제 3 어레이는 두 개 이상의 개별적 레이저들로부터 다수의 녹색 광 빔들 (118) 을 발생시키는 데 사용된다. 따라서, 광원 (100) 은 레이저들의 상이한 세트를 포함한다. 두 개 이상의 레이저들의 개별적 세트는 LP 시스템에서 사용된 특정 컬러의 광을 생성한다. 하지만, 이하 좀더 상세히 설명되듯이, 바람직한 실시형태에서, 일 세트내의 개별적 레이저들은 스페클을 감소시키기 위해서 동일한 세트내의 다른 레이저들에 대해서 실질적으로 비간섭성 (예를 들면, 비-위상화 (unphased)) 이 되도록 설계된다. 도 1 에서, 각각의 레이저 어레이 (105, 110, 및 115) 는 4 개의 개별적 레이저 발광기들 (미도시) 로부터 4 개의 빔들을 생성시키는 것으로 도시된다. 하지만, 보다 일반적으로는 각각의 레이저 어레이 (105, 110, 115) 는 임의의 개수의 개별적 레이저들을 가진다.
일 실시형태에서, 광원 (100) 내의 개별적 레이저들 및 광학 엘리먼트들 (미도시) 은 어레이들 (105, 110, 및 115) 의 개별적 빔들 (107, 113 및 118) 이 적어도 부분적으로 중첩되어 광원 (100) 이 공간 광 변조기 (미도시) 의 균일한 조명을 제공하도록 바람직하게는 배열된다. 공간 광 변조기는 마이크로-미러들을 가진 (때때로 "디지털 광 밸브"로 알려진) 디지털-미러 광 밸브, 액정 엘리먼트의 어레이 또는 실리콘 상의 광 크리스탈 (LCOS : liquid crystal on silicon) 공간 변조기로부터 형성된 광 밸브와 같은, 광 밸브일 수도 있다. 개별적 빔들 (107, 113 및 118) 의 최초 중첩은 예를 들면 오직 부분적일 수 있으며 추가적 광 엘리먼트들 (미도시) 에 의해서 증가될 수도 있다.
하나 이상의 어레이들 (105, 110 및 115) 은 비선형 주파수 변환기 (120, 125 또는 130) 를 사용하여 소스 발광 주파수를 상이한 주파수의 출력 컬러로 변환할 수도 있다. 비선형 주파수 변환은 일 소스 주파수에서 발광된 광이 다른 주파수로 변환되도록 허용한다. 예를 들면, 일 실시형태에서, 적색, 청색 및 녹색 파장은 개별적 레이저들에서 반도체 이득 엘리먼트에 의해서 생성된 소스 레이저 주파수를 주파수 더블링하는 것에 의해서 발생된다. 다른 실시형태에서, 적색 레이저는 적색 파장 범위에서 직접 작동하지만 녹색 및 청색 컬러들은 주파수 더블링에 의해서 발생된다. 선택적으로, 적색 레이저들은 비선형 광학 프로세스에 의해서 파라미터적으로 다운 변환된 녹색 레이저들의 어레이로 형성될 수도 있다. 비선형 주파수 변환기들은 각각의 개별적 레이저의 레이저 공진기 내부 에 배치될 수도 있고 또는 공진기의 외부에 배치될 수도 있다. 비선형 주파수 변환기들로써 사용될 수도 있는 비선형 크리스탈의 예들은 주기적 극성인 리튬 니오베이트, 주기적 극성인 리튬 탄탈레이트, 및 주기적 극성인 KTP 를 포함한다. 이러한 비선형 크리스탈들은 산화 마그네슘과 같은 적절한 도펀트를 사용하여 그 신뢰성 및/또는 극성 성능을 개선시킬 수 있다.
출력 커플러들 (135, 140 및 145) 은 광을 커플링하고 추가적 주파수 안정성을 제공하기 위해서 포함될 수도 있다. 예를 들면, 출력 커플러들 (135, 140 및 145) 은 광을 커플링하고 개별적 서브-어레이들의 주파수 제어를 제공하기 위한 볼륨 브래그 그래이팅을 포함할 수도 있다. 일 실시형태에서, 하나 이상의 출력 커플러들은 예를 들면 볼륨 브래그 그래이팅을 포함한다. 추가적으로, 하나 이상의 파장 제어 엘리먼트들 (미도시) 이 각각의 레이저의 파장을 제어하기 위해서 포함될 수도 있다. 파장 제어 엘리먼트들의 예는 공동 내부 표면 그래이팅, 볼륨 그래이팅, 고체 에탈론, 박막 코팅 에탈론, 및 리요트 (Lyot) 필터를 포함한다. 이러한 파장 제어 엘리먼트들은 분리될 수 있고 또는 콤팩트 및 비용 절감 이유로 다른 공동 내부 엘리먼트와 모놀리식으로 결합될 수도 있다.
본 발명의 일 양태는 전체 광학 전력이 광원 (100) 내의 레이저들의 전체 개수에 따라 대략적으로 비례하는 것이다. 예시적으로, 광원 (100) 은 3 개의 다른 반도체 다이들로부터 형성될 수 있고, 각각의 다이는 적어도 하나의 로우의 레이저들을 가진다. 추가적으로, 전력 출력은, 어레이들 (105, 110 또는 115) 중 적어도 하나에 대한 두 개 이상의 다이들과 같은, 타일 구조에서 추가적 다이를 포 함하는 것에 의해서 더 증가될 수도 있다. 패키징된 광원 (100) 은, 예를 들면, 1 제곱 센티미터의 단위로 전체 면적을 가진 발광기들의 어레이를 형성할 수도 있다. (미도시된) 일 실시형태에서, 두 개 이상의 광원들 (100) 로부터의 출력이 광학적으로 결합된다. 추가적으로 광학 기술들이 또한 개별적 어레이들 (105, 110 및 115) 의 출력을 동일한 컬러를 발광하는 어레이들과 결합하는 데 사용될 수도 있다. 두 개 이상의 어레이들 (105, 110 및 115) 또는 두개 이상의 광원들 (100) 의 광 출력을 광학적으로 결합하는 기술들의 예는 이색적 광학 또는 편광 빔 결합 광학을 포함한다.
본 발명의 다른 양태는 적색, 녹색 또는 청색 어레이들 (105, 110 또는 115) 의 하나 이상이 연장 공동 표면 발광 반도체 레이저들로부터 형성되는 것이다. 도 2 는 예시적 종래 기술 연장 공동 표면 발광 레이저 (200) 를 도시한다. 연장 공동 표면 발광 반도체 레이저들은 에지 발광 반도체 레이저 또는 종래의 표면 발광 레이저에 대해서 많은 장점들을 가진 반도체 레이저의 종류이다. 연장 공동 표면 발광 레이저들은 통상적으로 반도체 이득 엘리먼트 내에 배치된 하나 이상의 반사기를 포함한다. 예를 들면, 양자 우물 이득 지역 (210) 의 한 측면 상에서 쌓여진 브래그 미러 (205) 의 공동 내부 쌍은 기본 레이저 파장의 동작 파장을 규정하기 위해서 Fabry-Perot 공진기를 형성한다. 반도체 이득 엘리먼트로부터 이격된 추가적 외부 반사기 (215) 는, 추가적 파장 제어를 제공하면서, 광학 공진기의 연장 공동을 규정한다. 양자 우물 이득 영역 (210), 브래그 미러 (205), 및 외부 반사기 (215) 의 적절한 선택에 의해서, 기본 파장은 넓은 범위의 파장내에서 선택될 수 있다. 기본 파장은, 순서대로, 그후 주파수 더블링 광학 크리스탈 (220) 에 의해서 2 배가 되어 희망된 컬러로 광을 발생시킬 수도 있다.
광학 주파수 더블링 광학 크리스탈 (220) 또는 다른 주파수 변환 디바이스들을 포함하는, 추가적 광학 엘리먼트들은 공동 내부 주파수 변환을 위한 연장 공동의 광학 공진기에 포함될 수도 있다. 다른 예로써, 포화가능 흡수기 (미도시) 가 연장 공동 내에 (또는 반도체 이득 엘리먼트내에) 포함되어 모드-고정된 레이저를 형성할 수도 있다. 효율적 모드-고정된 연장 공동 반도체 레이저는, 본 명세서에서 참조 문헌으로써 그 내용이 포함되며, 본 출원과 동일자로 출원된, 공동 계류중인 미국 특허 출원 번호 제 11/194,141 호, "Apparatus, System, and Method for Wavelength Conversion of Mode-Locked Extended Cavity Surface Emitting Semiconductor Lasers" 에 설명된다.
Sunnyvale, California 의 Novalux, Inc 에 의해서 개발된 연장 공동 표변 발광 반도체 레이저들은 높은 광학 전력 출력, 긴 작동 기간, 레이저 파장의 정확한 제어, 공간 광학 모드의 제어를 분명하게 하며, 종래의 제조 및 테스팅에 대한 표면 발광의 이득을 제공하며, 제 2 하모닉 주파수 더블링과 같은, 광학 주파수 변환 엘리먼트들을 포함하도록 조정되어, 적색, 녹색 및 청색 컬러들의 광을 발생시킬 수도 있다. 추가적으로, 고전력 연장 공동 표면 발광 레이저들의 어레이는 단일 다이 상에서 제조되어 광원 (100) 이 오직 적은 개수의 상이한 반도체 다이들, 주파수 변환기들 및 주파수 제어 엘리먼트들을 사용하는 높은 제조성 프로세스에서 제조될 수 있다. 결과적으로, 종래의 백색광 LP 시스템보다 더 큰 적색, 녹색 및 청색 컬러에서 유용한 전력 출력을 가지며 높은 제조가능성으로 인해 타당한 비용에서 제조될 수 있는, 연장 공동 표면 발광 어레이들을 사용하는 광원 (100) 이 제조될 수도 있다. Novalux, Inc 에 의해서 개발된 개별적 연장 공동 표면 발광 반도체 레이저들 및 주파수 더블된 표면 발광 레이저들을 설명하는 배경 정보는, 그 내용이 참조 문헌으로써 본 명세서에 병합된, 미국 특허 번호 제 6,243,407 호, 제 6,404,797 호, 제 6,614,827 호, 제 6,778,582 호 및 제 6,898,225 호에서 설명된다. 연장 공동 표면 발광 레이저들의 다른 상세한 설명은, 그 내용이 본 명세서에서 참조 문헌으로써 포함된, 미국 특허 출원 번호 제 10/747,342 호 및 제 10/734,553 호에서 설명된다. 추가적으로, 예시적 연장 공동 표면 발광 반도체 레이저에 관한 상세한 설명이 보다 상세히 설명된다.
일 실시형태에서, 광원 (100) 내의 레이저들은 펄스 모드로 동작하도록 설계된다. 전기적 커넥터 (미도시) 가 각각의 어레이 (105, 110 및 115) 의 각각의 개별적 레이저를 구동시키기 위해서 제공된다. 레이저 제어기 (180) 는 각각의 레이저 어레이 (105, 110 및 115) 의 구동 전류 및/또는 전압을 규제하기 위해서 제공된다. 레이저 제어기 (180) 는 바람직하게는 펄스 모드에서 개별적 레이저 어레이 (105, 110, 115) 가 동작하도록 허용한다. 일 실시형태에서, 레이저 제어기 (180) 는 개별적 레이저 어레이들 (105, 110 및 115) 가 연속적으로 동작하도록, 즉, 하나의 시간 인터벌에서 적색 광, 다른 시간 인터벌에서 녹색 광, 다른 시간 간격에서 청색 광을 발생시켜서, 필터 광으로의 컬러 휠에 대한 LP 시스템에서의 필요성을 제거하도록 허용한다. 일 실시형태에서, 개별적 레이저들 및 레이 저들의 서브그룹들은 레이저 제어기 (180) 에 의해서 독립적으로 지시가능하다. 레이저 제어기 (180) 는 또한 선택된 출력 특성을 유지하는 구동 전류/전압을 조정하기 위해서 광학 모니터들 (미도시) 로부터의 피드백을 사용할 수도 있다. 예를 들면, 레이저 제어기 (180) 는 LP 시스템에서 희망된 그레이 스케일을 유지하기 위해서 구동 전류 또는 펄스 폭을 조정할 수도 있다. 일 실시형태에서, 제조된 레이저 어레이 (105, 110 및 115) 는 적어도 하나의 리던던시 레이저를 포함한다. 이 실시형태에서, 레이저 제어기 (180) 는 각각의 어레이에서 사용된 동작가능 레이저들의 초기 세트를 결정한다. 예비로 유지된 여분의 레이저들은 그후 고장난 레이저들을 대체하도록 요구될 때 가동되어, 광원 (100) 의 유용한 존속기간을 증가시킨다.
일 실시형태에서, 각각의 레이저 (105, 110, 및 115) 는 펄스 모드로 구동된다. 펄스 모드 동작은 감소된 열 분산을 포함해서, 많은 장점을 제공한다. 추가적으로 펄스 파라미터에 의존하여, 이점이 있는 스펙트럼 확산을 제공할 수도 있다. 광 밸브들은 통상적으로 광 밸브들이 반사 또는 투과 상태 및 결합된 최소 온 타임 (on-time) 을 변화시키는 데 요구되는 특징적 시간을 가진다. 동작중인 펄스 모드에서, 광원 (100) 은 바람직하게는 높은 반복 레이트를 가진 펄스를 발생시켜 광학 펄스들 사이의 주기는 광 밸브의 최소 온 타임과 비교될 만한다. 따라서, 높은 반복 레이트는 사전 선택된 최소 개수의 레이저 펄스들이 최단 가능한 주기 내에서 디지털 광 밸브의 마이크로-미러에 충돌하여, 그레이 스캐일 해상도를 향상시킨다. 예시적 반복 레이트는, 텔레비젼, 비디오, 및 컴퓨터 그래픽 에서 사용되는 종래의 프레임 반복 레이트보다 매우 빠른, 1 MHz 만큼 빠르다. 보다 일반적으로, 반복 레이트는 특정 LP 시스템의 특성에 기초해서 선택될 수 있다. 예를 들면, 레이저 반복 레이트는 바람직하게는 회의실 프로젝터 및 홈 텔레비젼에서 사용되는 상업적 사용가능 디지털 미러 광 밸브들 또는 액정 광 밸브들을 지닌 전체 그레이 스케일을 달성하는 것으로 호환가능할 정도로 충분히 높다.
광원 (100) 은 바람직하게는 LP 시스템에서의 스페클을 수용가능한 레벨로 실질적으로 감소시키기 위해서, 즉, 사람들에게 수용가능한 시야 경험을 가진 LP 시스템에서의 이미지를 보도록 하는 레벨로 스페클을 감소시키도록 설계된다. 광학 기술 분야에서 공지된 바와 같이, 스페클은 간섭 광이 분산 중앙으로부터 반사될 때 초래된다. 결과적 간섭은 스페클 형상을 가진 밝고 어두운 팻치를 발생시킨다. 스페클은 스페클 패턴의 피크에서 골까지의 세기 변조에 의해서, 즉, 밝은 팻치와 어두운 팻치 사이의 피크에서 골까지의 세기에서의 퍼센트 변동에 의해서 수적으로 특징지어질 수 있다. LP 분야에서 때때로 사용된 한가지 규정은 대략 4 % 이하의 스페클 변조가 수용가능한 시야 경험을 달성하기 위해서 LP 시스템에서 요구되는 것이다.
레이저에 의해서 비취진 LP 시스템에 대해서, 스페클은 간섭 광이 광 밸브에서 또는 LP 시스템의 다른 광학 엘리먼트에서 분산 중앙으로 반사될 때 발생한다. 스페클은 프로젝팅된 이미지의 광학 품질을 저하시키는 광학적 비-균일성을 발생시킨다. 스페클은 단일 레이저 소스로부터 높은 간섭성 광을 수신하는 LP 시스템에서 특히 심각한 문제이다. 광학 기술 분야에서 공지된 바와 같이, 간섭 은 보상적으로 및 상쇄적으로 간섭하는 광 파동의 능력과 관련된다. 좁은 분포의 광학 주파수들, 위상, 및 공간적 특성들을 가진 단일 레이저 소스는 매우 간섭성이며 따라서 스페클을 발생시키기 쉽다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서,스페클은 광원 (100) 의 광학 특성들 (예를 들면, 위상, 스팩트럼 폭) 의 분포를 증가시키는 것에 의해서 광원 (100) 에서의 간섭을 감소시키기 위해서 단독으로 또는 결합하여 사용될 수도 있는 몇몇 상이한 기술들에 의해서 광원 (100) 을 사용하는 LP 시스템에서 감소된다. 먼저, 서로에 대해서 실질적으로 비간섭적인 광원 (100) 에서의 동일한 컬러의 레이저들의 개수를 증가시키는 것은 스페클을 감소시키는 경향이 있을 것이다. 단일 어레이 (105, 110 또는 115) 에서의 각각의 레이저가 동일한 컬러에서 간섭 레이저 광을 발광하더라도, 상이한 위상들을 가진 동일한 컬러의 비위상화된 레이저들은 스페클을 야기는 광학 간섭 효과에 대해서 서로에 대해서 비간섭적이다. 결과적으로, 각각의 비위상화 레이저들에 대한 스패클 야기된 세기 변화는, 비위상화된 레이저들의 개수가 증가함에 따라 비위상화된 레이저들의 어레이 (105, 110 또는 115) 에 대한 결합된 조명 균일성이 개선되도록 다른 레이저들의 세기에 독립적이다. 특히, 스페클은 동일한 진폭을 가진 동일한 컬러의 비위상된 레이저들의 개수의 제곱근으로 역으로 감소되는 경향이 있다. 각각의 어레이내의 레이저들은 서로에 대해서 비위상된 채로 동작하도록 설계되며, 즉, 개별적 어레이 (105, 110 또는 115) 는 서로에 대해서 어레이에서 두개 이상의 주파수 및 위상을 크게 고정하는 큰 인터-레이저 피드백을 제공하지 않도록 설계된다. 두번째로, 스펙트럼 확산 이 스페클을 감소시키기 때문에, 스펙트럼을 확산시키는 임의의 동작 모드는 스페클을 감소시키는 경향이 있을 것이다. 반도체 레이저의 스펙트럼을 넓히는 기술들의 예는 스펙트럼 확산을 생성하기 위해서 선택된 펄스 파라미터 (예를 들면, 온 타임) 를 가진 펄스 모드에서의 동작 레이저들; 스펙트럼 확산을 생성하기 위해서 선택된 높은 주파수 변조 레이저들; 스펙트럼 확산을 생성하기 위해서 모드 고정 레이저들, 및 펄스 모드에서 모드 고정 레이저들을 동작시키는 것과 같은 서브 결합을 포함한다. 세번째로, 어레이 (105, 110 및 115) 에서 개별적 레이저들은 다수의 주파수, 축 방향 또는 공간적 모드로 동작하여 각각의 레이저의 주파수, 위상, 및 방향성 (각방향) 분배를 증가시키도록 설계될 수도 있다. 네번째로, 광학 엘리먼트는 빔들 (107, 113, 및 118) 의 방향, 위상, 및 편광 정보를 모아서 간섭을 감소시키는 데 사용될 수도 있다.
레이저 어레이들 (105, 110, 및 115) 에서 사용된 연장 공동 레이저들은 안정한 광학 특성을 가지는 것이 바람직하다. 추가적으로, 주파수 더블링이 사용되면, 제 2 하모닉 변환 프로세스의 효율을 감소시키는 비위상 효과를 최소화시키는 것이 바람직하다. 도 3 은 광학 모드를 안정화시키고 주파수 더블링 프로세스에서 해로운 비위상화를 감소시키는 렌즈 (310) 를 가진 연장 공동 표면 발광 레이저 (300) 를 도시한다. 각각 레이저 이득 엘리먼트 (305) 는 광학 이득 지역을 포함하며 또한 하나 이상의 분산된 브래그 반사기들 (미도시) 을 포함할 수도 있다. 일 실시형태에서, 에칭된 렌즈 (310) 는 반도체 기판 (315) 상에 형성된다. 다른 실시형태에서, 외부 렌즈 (미도시) 가 광학 유리와 같은, 종래의 광 학 물질들을 사용해서 형성된 외부 렌즈를 가진 에칭된 렌즈 (310) 을 대신하여 사용된다. 예시적 제조된 에칭된 렌즈 (310) 의 윤곽이 상세해진 삽입그림 (350) 에서 도시된다. 비선형 광학 물질 (320) 은 레이저 진공기에서 포함된다. 공진 미러 (325) 는 비선형 물질 상에 직접 쌓여지거나 그래이팅 디바이스일 수도 있으며, 상기 양자 모두는 출력 파장을 제어하여 비선형 광학 물질 (320) 의 위상 매칭 파장을 매칭하도록 설계된다. 하지만, 다른 기술들이 어레이들의 개별적 엘리먼트를 제조하기 위해서 사용될 수도 있다.
공동 내부 렌즈 (310) 는 반-초점 구성에서 안정된 횡단 모드 (바람직하게는 TEM00 모드) 를 제공하도록 사용된다. 이러한 정렬에서, 순방향 진행 하모닉 광이 평면 출력 커플러 (미도시) 를 통하여 전송되고 역방향 하모닉 광이 기본 파장에 크게 투과시키고 하모닉 파장에서 크게 반사시키도록 코팅되는 렌즈 (310) 의 표면에서 반사되는 동안에, 적외선 (즉, 주파수 더블링되도록 하는 반도체에 의해서 생성된 기본 주파수 광) 은 비선형 광학 물질 (320) 으로 포커싱된다. 이러한 렌즈 엘리먼트는 하모닉 광에 대해서 볼록 미러로써 기능을 하고 기본 파장 레이저 빔을 중첩시킬 때 비 선형 물질에서 감소된 세기를 가질 것이다.
비선형 광 물질 (320) 에서 기본 레이저 빔을 지닌 중첩 영역에서 감소된 세기는 전체적 비선형 변환 효율을 감소시키는 임의의 비위상 효과를 감소시키는 장점을 가질 것이다. 순방향 및 역방향 파동의 빔 발산은 대략 동일하다. 순방향 파동의 하모닉 광의 모드 웨이스트 (waist) 위치는 출력 미러 위치 부근이며, 그에 반하여, 역방향 파동에 대한 광의 모드 웨이스트 위치는 반사 미러의 가상 이미지에 있다. 이러한 두 빔들은 동일한 방향으로 전파하지만 때때로 상이한 빔 각을 가진다.
공동에서 포커싱 렌즈 (310) 는, 어레이 형태로 만들어 질 수 있는, 유리 또는 2 진 광학 렌즈의 도입에 의해서 또는 반도체의 표면을 에칭하는 것에 의해서 만들어질 수 있다. 공동내의 렌즈의 도입은 포지티브 dn/dt (온도에 다른 굴절률의 변화) 를 가진 물질들을 가진 대부분의 레이저 시스템에서 보통 존재하는 열적 렌즈의 다양한 영향을 감소시킬 것이다. 하지만, 공동의 공간 모드를 안정화시키기 위해서 열 렌즈에 의존하는 일 실시형태는 본 발명의 범위 내에 또한 존재한다. 이러한 경우에서, 역방향 전파되는 제 2 하모닉 빔을 뽑아내기 위한 종래의 방법이 예를 들면 45 도 빔 스플릿터를 통하여 사용될 수 있다.
비선형 크리스탈 (320) 은 출력 미러 (미도시) 에서 또는 주변에서 위치되거나 또는 하모닉에서 매우 투과적이며 기본 파장에서 매우 반사적인 크리스탈에 직접 쌓여진 미러 (325) 를 가질 수도 있다. 분리된 출력 미러가 사용되면, 복제 그래이팅 또는 공진 에탈론 반사기와 같은 다른 파장 공진 반사기 또는 파장 선택을 위한 볼륨 홀로그래픽 그래이팅으로 구성될 수도 있다. 선택적으로, 미러는 광대역 코팅으로 코팅된 종래의 유리 엘리먼트일 수도 있고 고체 또는 박막 증착된 에탈론과 같은 파장 선택기가 틸트 각에서 공동으로 위치될 수도 있다. 그러한 엘리먼트 (그래이팅 또는 에탈론) 는 (밀집 및 비용 절감을 위해서) 분리될 수도 있고 또는 다른 엘리먼트들과 통합될 수도 있다. 예를 들면, 종래의 그래이팅 또는 박막 간섭 필터는 비선형 크리스탈의 웨지된 표면 또는 출력 미러의 제 2 (공동 내부-시야) 표면 상에 쌓여질 수도 있다. 출력 미러는 또한 공동내의 중간 포커싱 지점을 제공하기 위해서 설계된 볼록 반사기일 수도 있으며, 비선형 광학 물질 (320) 이 위치되어, 중간 포커싱 지점에서 비선형 크리스탈의 효과적 경로 길이를 더블링한다.
광원 (100) 이 광 밸브들 옆의 상이한 타입의 공간 변조기들과 함께 사용을 위해서 조정될 수도 있다. 일 실시형태에서, 광원 (100) 은 또한 스캐닝 광학 시스템에서 사용을 위한 단일 빔을 생성하도록 설계된 광학 렌즈 시스템을 또한 가질 수도 있다. 스캐닝 광학 시스템에서, 공간 변조기는 X-Y 래스터 모션으로 레이저 빔을 스캐닝하는 데 사용되는 미러들을 포함한다. 스캐닝 고아학 시스템에서, 어레이 내의 각각의 빔들은 바람직하게는 거의 제한된 회절이어야한다.
도 4 는 광원 (100) 에서 프로젝션 스크린 (405) 로의 광 경로의 도식적 레이아웃을 도시하는 본 발명의 일 실시형태에 따른 LP 시스템 (400) 의 블록도이다. 광원 (100) 으로부터의 빔은 대부분의 경우에 직사각형인 도파관 (410) 으로 포커싱되고, 빔이 도파관 (410) 에서 나온 후에 그후 광 밸브 (420) (즉, 디지털 광 밸브) 상으로 포커싱된다. 광원 (100) 에 의해서 발생된 빔들은 몇몇 초기 중첩을 가질 것이다. 하지만, 도파관은 빔의 중첩을 증가시키도록 선택될 수도 있다. 특히, 내부 반사, 회절, 모드 변환, 또는 도파관의 전자기 특성은 도파관 (410) 내의 빔들을 모으는 데 사용될 수도 있다. 이 경우에, 모든 빔들은 개별적으로 각각의 빔들에 존재할 수도 있는 감소된 스페클로 일정 수준의 균일함 으로 중첩될 것이다. 모드 고정된 레이저 어레이의 경우에, 스페클의 추가적 감소는 모드 고정된 펄스의 스펙트럼 분산으로부터 발생할 것이다. 몇몇 공간적 도는 스펙트럼 모드에서의 처핑 (chirping) 또는 동작으로 인한 스펙트럼 분산을 가진 펄스 디바이스는 또한 일정 수준의 스페클 감소를 또한 가질 것이다.
시스템 (400) 내의 개별적 레이저들은 비위상화 될 것이다. 펄스 동작은 개별적 레이저들의 스펙트럼을 넓혀서, 따라서 그 간섭의 수준을 감소시키고 스페클을 감소시키는 경향이 있다. 단일 렌즈 (430) 는 서로에 대해서 평행하게 진행하는 모든 레이저 빔들을 하나의 초점 스팟에 포커싱하며 상기 스팟 크기는 각각의 빔의 직경 및 렌즈 (430) 의 초점 거리에 의해서 결정된다. 각각의 서브-어퍼처는 레이저 빔을 어레이의 피치로 확장시키는 것에 의해서 채워지고, 그후 단일 렌즈 (430) 으로 포커싱되어 모든 빔들에 대해서 최소의 스팟 크기를 제공한다. 입력 레이저 빔들은 빔들을 모으는 경향이 있는 도파관 (410) 내의 몇몇 바운스를 경험하여 출력 광은 디지털 광 밸브를 매칭하기 위해서 균일하게 채워지는 직사각형 패턴을 지닌 도파관 (410) 을 빠져나간다.
일 실시형태에서, 시스템 (400) 은 레이저 어레이를 제어하는 레이저 제어기 (180) 및 광 밸브를 제어하는 광 밸브 제어기 (480) 를 포함한다. 두 개의 제어기는 바람직하게는 서로에 대해서 통신하기 위한 링크 (490) 를 가진다. 일 실시형태에서, 레이저 제어기 (180) 는 반복 레이트와 같은 광원 (100) 의 동작적 특성을 제어한다. 센서 (미도시) 는 레이저 제어기 (180) 가 레이저 출력을 모니터하고 출력 전력을 제어하기 위해서 포함될 수도 있다. 모드 고정 레이저의 경우에 대해서, 레이저 제어기 (180) 는 또한 레이저를 모드 고정하기 위해서 사용된 포화가능 흡수기의 동작을 제어할 수 있다.
레이저 제어기 (180) 는 또한 광원 (100) 의 적색, 녹색, 또는 청색 레이저들이 프레임 동안 시간의 특정 부분 동안 광을 발광하는 지를 결정한다. 일 실시형태에서, LP 시스템 (400) 은 컬러 필터 휠을 가지지 않는다. 대신에, 프레임의 다른 시간 동안에 버스트 (burst) 모드로 동작하기 위해서 프레임의 적색, 녹색, 및 청색 부분은 광원 (100) 의 적색, 녹색 및 청색 레이저를 동기화시키는 것에 의해서 발생된다. 버스트 모드에서, 오직 하나의 세트의 레이저들 (예를 들면, 적색, 녹색 또는 청색) 만이 광학 펄스들의 열을 생성하는 데 사용된다. 따라서, 디스플레이된 각각의 프레임에서, 레이저 제어기 및 광 밸브 제어기 (480) 는 픽셀들의 적색 부분이 광 밸브 (420) 에 의해서 프로젝팅될 때 오직 적색 레이저들만 턴온하고, 픽셀들의 녹색 부분이 광 밸브 (420) 에 의해서 프로젝팅될 때 오직 녹색 레이저들만 턴온하며, 픽셀들의 청색 부분들이 광 밸브 (420) 에 의해서 프로젝팅될 때 오직 청색 레이저들만을 턴온하면서 동기화하도록 서로 통신한다. 이러한 협동 관계는 단일 디지털 광 밸브 칩을 가진 시스템이 컬러 휠 필터를 제거하는 것을 허용하며, 신뢰도 및 효율성을 개선하고, 디스플레이된 이미지를 개선시킨다.
추가적으로, 일부 실시형태에서, 레이저 반복 레이트는 레이저 제어기 (180) 에 의해서 조정되어, 디지털 광 밸브에서의 개별적 미러들과 같은, 광 밸브 (420) 에서 개별적 엘리먼트들의 응답 시간을 설명하게 한다. 디지털 광 밸브들은 마 이크러-미러들의 온/오프 응담의 펄스 폭 변조에 의해서 그레이 스케일을 제어한다. 디지털 광 밸브의 개별적 마이크로 미러는 오프 상태에서 온 상태 사이에서 마이크로 미러를 회전시키는 것과 결합된 상승 및 하강 시간을 가진다. 특정 컬러 (예를 들면, 적색) 의 레이저 광의 버스트는 펄스들의 시퀀스이다. 상술한 바와 같이, 비교적 높은 명목상 펄스 레이트의 선택은 그레이 스케일의 제어를 용이하게 한다. 높은 펄스 레이트는 (버스트내의 많은 광학 펄스들은 프로젝션 스크린에서 편향될 수 있기 때문에) 사용될 비교적 작은 최소 미러 온타임을 허용한다.
일 실시형태에서, 광원 (100) 내의 각각의 레이저의 펄스 반복 레이트는 디지털 광 밸브의 마이크로 미러의 가장 특징적 상승/하강 부분에서 광학 응답을 최적화하도록 조정된다. 예를 들면, 디지털 광 밸브의 미러는 10 내지 15 도와 같은, 한정된 이동 범위 내에서 틸트한다. 하지만, 최종 1 내지 2 도의 틸트는 그래이 스케일의 제어에 큰 충격을 준다. 마이크로 미러의 턴온/턴오프 응답에 기초한 반복 레이트를 조정하는 것에 의해서, 디지털 광 밸브의 광학 응답이 최적화될 수도 있다. 디지털 광 밸브의 충분한 동기화 및 각각의 레이저 어레이 (105, 110 및 115) 를 가지고, 각각의 레이저 어레이 버스트의 턴온 및 턴오프는 바람직하게는 마이크로 미러의 턴온 또는 턴오프 위상에 대해서 정확한 시간으로 펄스의 열을 개시하거나 또는 중지하도록 시간화되는 것이 바람직하다. 추가적으로, 레이저 어레이 (105, 110 및 115) 의 반복 레이트는 버스트 동안에 역동적으로 변하는 것을 이해될 것이다.
일 실시형태에서, 효과적 펄스 레이트는 상이한 위상들로 구동되어 효과적 펄스 레이트를 증가시키는 개별적 서브-섹션들 ("서브-어레이") 로 각각의 어레이 (105, 110, 115) 를 전기적으로 나누는 것에 의해서 증가된다. 이 실시형태에서, 단일 컬러의 상이한 서브-어레이들은 각각 서로에 대해서 위상면에서 지연된 개별적 구동기로 펄스화된다. 위상차는 예를 들면 서로의 펄스의 전체 반복 레이트를 증가시키기 위해서 서브 어레이의 개수로 나뉘어진 펄스 반복 레이트의 비율이 되도록 선택된다. 이것은 임의의 적절한 스케일을 달성하기 위해서 및 마이크로 미러의 상승 및 하강 시간, 및 디지털 미러 펄스 폭과 호환가능하도록 어레이의 개별적 엘리먼트에 대한 임의의 펄스 반복 레이트 제한을 극복할 것이다.
도 5 는 광 밸브 (540) 의 윤곽과 매칭하는 윤곽으로 광원 (500) 내의 각각의 레이저로부터 광학 출력을 변환시키도록 설계되는 (바둑판 모양 패턴으로 도시된) 광학 렌즈 시스템 (505) 을 포함하는 프로젝션 시스템의 일 실시형태를 도시한다. 예를 들면, 개별적 레이저 엘리먼트 (510) 는 광 밸브 (540) 의 출력과 매칭하는 광학 출력으로 그 출력을 변환시키는 광학 엘리먼트를 가진다. 유사하게, 다른 개별적 레이저 엘리먼트 (520) 는 광 밸브의 출력과 매칭하는 광학 출력을 그 출력을 변환시키는 광학 엘리먼트를 가진다. 이러한 배열의 장점은 광 밸브 (540) 의 표면 상의 균일성이 광원 (500) 내의 어느 개별적 레이저 엘리먼트가 동작중인지에 독립적인 점이다. 즉, 광학 렌즈 시스템 (505) 의 결과는 각각의 레이저로부터의 출력이 동일한 윤곽을 가지고 광 밸브 (540) 에서 중첩된다. 따라서, 하나 이상의 개별적 레이저 엘리먼트들 (510 또는 520) 의 고장은 광 밸브 (540) 을 따라 휘도 균일성에 영향을 주지 않을 것이다. 따라서, 개별적 레이저 엘리먼트가 고장난 경우에, 다른 레이저 엘리먼트들의 전력 출력이 휘도 균일성에서의 어떠한 변화도 없어 전력에서의 손실을 보상하기 위해서 증가될 수 있다. 게다가, 이러한 배열은 전력 출력을 유지하는 데 요구되듯이 턴온되는 여분의 레이저들의 사용을 용이하게 한다.
일 실시형태에서, 광학 렌즈 시스템 (505) 은 디지털 광 밸브 (520) 상으로 이미징되는 직사각형 톱-햇 세기 윤곽 (510) 으로 광원 (500) 의 어레이내의 각각의 레이저 빔을 프로젝팅한다. 회절 광학 엘리먼트와 같은, 광학 엘리먼트는 광원 (500) 내의 각각의 엘리먼트로부터 원형 가우시안 레이저 빔을 광 밸브의 전체 영역을 이후에 효과적으로 커버하도록 의도되고 그후에 전면 또는 후면 프로젝션 시스템상으로 이미징되는 직사각형 톱-햇 광학 분배로 변환시키는 데 사용된다. 이 렌즈 시스템은 반사적, 회절적, 또는 투과적일 수도 있으며 예를 들면 유리 렌즈 어레이 또는 디지털 광학 렌즈 시스템으로 만들어질 수도 있다. 디지털 광학 렌즈 시스템들은 플라스틱과 같은, 다양한 물질들로 만들어질 수도 있다. 디지털 광학 렌즈 시스템들은 MEMS Optical, Inc of Huntsville, Alabama 와 같은, 다양한 판매자들로부터 사용가능하다. 일 예로써, 광학 렌즈 시스템 (505) 은 각각이 원형 가우시안 레이저 범을 발생시키는 레이저의 어레이에 대한 톱-햇 세기 분포를 발생하기 위해서 설계된 비대칭 2 진 광학 렌즈 배열을 포함할 수도 있다. 보다 일반적으로, 광학 렌즈 시스템은 광 밸브 (540) 으로 이미징되는 희망된 세기 윤곽을 고려하는 광학 모델링 기술을 사용하고, 광원 (500) 내의 레이저의 배 열 및 광원 (500) 내의 각각의 레이저의 빔 특성을 선택하면서 설계될 수도 있다.
광학 렌즈 시스템 (505) 은 어레이내의 각각의 레이저가 디지털 광 밸브의 윤곽을 대략 매칭하는 광학 빔 윤곽을 가지도록 허용한다. 광학 렌즈 시스템은 바람직하게는 어레이내의 각각의 레이저가 디지털 광 밸브 상으로 프로젝팅되는 거의 동일한 직사각형 톱-햇 세기 윤곽을 가지도록 설계된다. 이것은 디지털 광 밸브에 대한 각각의 레이저의 완벽한 매칭을 허용한다. 게다가, 종래의 3 개의 프리즘 이색성 렌즈 시스템이 LP 시스템에서 제거될 수 있기 때문에, LP 시스템의 전체 광학 시스템은 광학 렌즈 시스템 (505) 의 추가에도 불구하고 덜 비용이 든다. 추가적으로, 개별적 레이저의 고장은 다른 레이저들의 전력을 조정하는 것으로 고려될 수 있다. 도 5 의 시스템은 프로젝션 시스템이 균일한 광 세기를 가지도록 허용하고 어레이로부터 전체 광 전력을 제어할 수 있게 하는 것에 의해서 시스템의 존속기간에 대하여 이 세기를 유지하는 것을 허용한다. 이것은 구동 전류를 어레이에 증가시키는 것에 의해서 또는 이후 시간에서 턴온될 수 있는 어레이내의 추가적 (여분의) 레이저 엘리먼트를 가지는 것에 의해서 달성될 수 있다.
각각의 표면 발광 레이저 어레이 (105, 110 및 115) 는 모든 엘리먼트가 직렬로 되거나 직렬 및 병렬 동작의 조합으로 될 수 있도록 배선될 수 있다. 이것은 감소된 전류 및 감소된 저항적 가열 때문에 개선된 효율성을 가진 전력 공급을 허용한다. 게다가 배선된 직렬 배선된 어레이는 전류가 열적 탈출 (runaway) 을 피하기 위해서 구동될 것이다. 또한, 각각의 서브-어레이는, 모든 시간에서 가동되고 램프로부터의 다른 파장을 거절하는 반면에 오직 하나의 컬 러를 선택하기 위해서 컬러 필터 휠을 사용하는 램프와는 대조적으로, 시간의 오직 1/3 만이 연속적으로 구동될 수 있다.
본 발명은 3 가지 주요 컬러를 발생시키는 광원에 대해서 설명되지만, 광원 (100 및 500) 은 희망된 출력 컬러를 지닌 빔을 달성하기 위해서 레이저 어레이들의 특성 및 개수를 선택하는 것에 의해서 다른 시퀀스의 컬러들 또는 3 개 이상의 컬러들을 생성하는 데 채택될 수 있다. 따라서, 본 발명은 적색, 녹색, 및 청색 (RGB) 광원들에 기초한 광 프로젝션 시스템에서의 사용으로 제한되지 않는다. 예를 들면, 광 프로젝션 시스템이 RGB 와 다른 컬러 세트를 요구하면, 본 발명의 광원 (100 및 500) 은 광 프로젝션 시스템에 의해서 요구된 다른 컬러들의 각각을 발생시키는 레이저들의 어레이를 포함하도록 채택될 수도 있다. 비선형 주파수 변환은 주파수 3 배기 또는 4 배기로 연장될 수도 있다.
몇몇 타입의 공간 변조기들은 편광된 광으로 가장 효과적으로 작동한다. 일 예로써, 액정 변조기의 특정 타입들이 편광된 광을 변조한다. 몇몇 실시형태에서, 광원 (100 및 500) 은 편광된 광을 변조하는 공간 변조기에 의해서 변조를 용이하게 하기 위해서 선택된 편광으로 설계될 것이다.
Ⅱ. 디스플레이 에플리케이션에 대한 레이저 소스들을 구동시키는 방법
상술한 바와 같이, 반도체 레이저들은 높은 밝기, 낮은 에텐듀, 연장된 컬러 색역, 및 변조를 위한 성능을 포함하는, 디스플레이를 위한 많은 장점을 가진다. 이러한 이후의 장점은 모션 비디오에 의해서 요구되는 고유의 변조로 인해서 디스플레이에 특히 중요하다. 레이저 소스들의 조심스러운 사용은 전체 디스플레 이 시스템에서 장점을 야기할 수 있다.
또한, 디스플레이를 위한 반도체 레이저 소스들은 희망된 디스플레이 파장을 생성하기 위해서 비선형 광학 변환을 사용할 수도 있다. 이러한 모든 프로세스들은 전력을 가진 초선형 방식으로 스케일된다. 따라서, 주파수-더블된 반도체 레이저들을 펄스화하는 것은, 평균 입력 전력이 변화되지 않거나 감소될 때에도, 평균 기초로 증가된 출력 또는 효율성을 이끌 수 있다. 하지만, 펄스 변조의 장점을 충분히 활용하기 위해서, 반도체 레이저 소스들은 공간 광 변조기로 레이저의 구동 파라미터들을 조정할 것을 요구한다.
종래의 백색 광원들을 반도체 레이저들로 대체하는 것과 관련된 몇몇 문제들이, 5 개의 컴포넌트들: 광원, 컬러 필터, 공간 변조기, 프로젝션 렌즈 어셈블리, 및 프로젝션 표면으로 구성된 종래의 프로젝션 디스플레이 시스템을 도시하는, 도 6 에 대해서 이해될 수도 있다. 몇몇 경우에서, 하나 이상의 컴포넌트들이, 디스플레이 시스템이 광원 및 공간 변조기 양자로서 음극선을 사용할 때, 또는 광원이 별개의 컬러들의 세트를 생성하고, 효과적으로 컬러 필터를 포함할 때처럼, 결합될 수도 있다.
프로젝션 시스템들이 모션 비디오를 디스플레이하는 데 사용될 때, 사람의 눈이 따라갈 수 있는 것보다 더 빠른 레이트에서 일련의 정지 이미지를 발생시킴으로써 디스플레이한다. 일반적으로 통합 주파수로 불리는, 이러한 레이트는 통상적으로 24-30 Hz 이다. 텔레비젼을 위한 비디오 신호들이 통상적으로 초 당 60 인터레이싱된 이미지들에서 인코팅된다. 인터레이싱은 이미지들을 스트라이 프의 시리즈 또는 라인들로써 표현하는 것에 의해서, 및 교대 방식으로 이미지 당 하나 걸러서 라인을 디스플레이하는 것에 의해서 이미지 디스플레이 레이트를 상승시키는 것이다. 오직 라인의 반이 임의의 이미지에서 그려질 때, 레이트는 2 배가 될 수 있다. 그러한 디스플레이 시스템에서 단일 이미지는 일반적으로 프레임으로 불린다. 많은 프로젝션 시스템에서, 이미지는 적어도 3 개의 컬러 채널들, 통상적으로, 적색, 녹색, 및 청색의 조합으로 형성된다. 몇몇 경우에서, 각각의 컬러에 대한 이미지는 단일 변조기에 의해서 연속적 방식으로 발생된다. 이것은 컬러 연속 동작으로 불린다.
도 7a, 7b 및 7c 는 종래의 프로젝션 시스템이 컬러 연속 동작에 대한 컬러 휠을 사용하는 방법을 보다 상세히 도시한다. 도 7a 는 컬러 휠을 가진 종래의 프로젝션 시스템을 도시한다. 백색 광원은 통상적으로, 응축형 광학 (condensing optics) 를 가진 아크 템프이며, 컬러 필터는, 통상적으로 컬러 휠이라고 불리는, 회전 축을 중심으로 배치된 필터들의 시리즈로 형성되어, 어셈블리가 회전할 때, 광원은 컬러들이 연속적으로 발생하는 (예를 들면, 컬러 휠이 회전할때, 적색에서 녹색, 녹색에서 청색으로) 연속 방식으로 컴포넌트 컬러들로 필터링된다. 시퀀스에서의 각각의 컬러가 계속되는 시간의 최대 길이는 컬러 휠의 회전 속도 및 휠내의 세그먼트의 개수에 의존한다. 이 예시에서 공간 변조기는 스크린 상의 결합된 이미지를 형성하기 위해서 각각의 컬러에 대해서 활동하는 단일 변조기로 구성된다. 이 모든 것은 비디오 신호의 각각의 프레임 동안에 발생한다. 그러한 필터를 사용하는 것의 한가지 결과는 필터들 사이의 경계들 중 하나가 광원을 가로질러 스윕될 때, 혼합된 컬러들의 광이 생성되는 것이다. 이 광은 프로젝션 표면에 도달하는 것이 방지되어야 한다. 이것은 통상적으로 공간 변조기를 최소 송신 상태로 설정하는 것에 의해서 달성된다. 따라서, 이러한 기간들은 블랭킹 기간들로 통상적으로 불린다. 도 7b 는 블랭킹 기간동안에 컬러 휠 상의 빔 풋프린트를 도시한다. 도 7c 는 단일 컬러의 광이 디스플레이 변조기를 비출 때, 활성 기간 동안에 컬러 휠 상의 빔 풋프린트를 도시한다. 따라서, 예시로써, 컬러 휠의 휘전 동안에, 시간에 대한 예시적 시퀀스는 제 1 시간 기간 동안에 적색 광, 블랭킹 기간, 제 2 시간 기간에 대한 녹색 광, 블랭킹 기간, 그후 제 3 시간 기간에 대한 청색 광 등이 될 수 있다. 도시적 예시로써, 많은 DLP 시스템에서, 컬러 휠은 60 Hz 의 레이트에서 발생된 인터레이싱된 프레임들을 지원하기 위해서 약 120 Hz 에서 회전한다. 몇몇 경우에서, 컬러 휠은 또한 고해상도 디스플레이를 지원하기 위해서 및 시각적 불순물들을 감소시키기 위해서 균등한 240Hz 의 적색-녹색-청색 회전 레이트를 발생시키는 6 세그먼트로 더 나뉘어진다. 따라서, 이 예시에서, 컬러들은 연속적으로 변하여 완벽한 R-G-B 시퀀스는 60 Hz 에서 완벽한 컬러 프레임을 발생시키기 위해서 120-240 Hz의 레이트에서 반복될 것이다. 컬러 휠의 유효 회전 레이트가 세그먼트의 개수 또는 회전 레이트를 증가시키는 것에 의해서 다소간 증가되더라도, 블랭킹 기간은 블랭킹 기간의 한정된 폭으로 인해서 유효 회전 레이트에 실질적 제한을 부과하는 것을 주의해야 한다.
종래 기술에서의 선택적 방식 (미도시) 은 컴포넌트 컬러들을 공간적으로 분리하는 필터 시스템으로 컬러 휠을 대체하여, 각각의 컬러가 개별적 변조기에 작용하는 것이다. 변조된 컬러들은 그후 스크린에 프로젝팅되기 전에 재결합된다. 이 시스템에서, 컴포넌트 컬러들은 컬러 연속 동작과 연관된 몇몇 문제들을 제거하면서 병렬적으로 다루어진다. 요구되는 여분의 변조기들 및 옵틱들은 공간 변조기들의 이러한 병렬 배열을 컬러 연속 시스템보다 값 비싸게 만든다. 따라서, 컬러 연속 시스템은 소비자 제품에서 일반적으로 사용된다. 하지만, 컬러 연속 시스템에 의해서 요구되는 더 빠른 변조기들은 다른 비용 절감을 상쇄시킬 수 있으며, 그것은 더 느린 변조기들, 예를 들면, 고온, 폴리실리콘, 액정 기반 변조기에 기초한 시스템이 큰 시장 점유율을 가지는 것을 의미한다.
특히 흥미있는 프로젝션 시스템의 한 부류는 빠르고, 이진 타입 공간 변조기들을 사용하는 형태, 즉, 변조기는 각각의 픽셀에 대해서 오직 2 개의 상태들, on 및 off 를 가진다. 도 8 을 참조할 때, 공간 변조기 (800) 은 특정 스위칭 기간동안에 턴온 또는 턴오프될 수도 있는, 마이크로 미러들과 같은, 많은 픽셀 엘리먼트들 (805) 을 가진다. 도 9 에 도시된 바와 같이, 특정 픽셀에 대한 광 세기는 공간 변조기 (800) 에서 대응하는 픽셀 엘리먼트 (805) 가 온 상태에있으며 특정 단일 컬러의 광으로 컬러 휠에 의해서 조명된 프레임 동안에 스위칭 기간의 횟수를 결정하는 것에 의해서 선택될 수도 있다. 종래의 시스템에서, 컬러 휠은 휠이 다음 컬러에 대한 위치로 회전시키기 전에 하나의 컬러의 광을 가진 많은 스위칭 기간에 대해서 공간 변조기를 비춘다. 따라서, 예를 들면, 개별적 픽셀의 적색 컬러 컴포넌트는 공간 변조기내의 대응하는 픽셀 엘리먼트 (805) 가 온 상 태에 있고 컬러 휠을 통하여 적색광을 수신하는 프레임 동안에 스위칭 기간의 횟수에 의존한다.
그러한 디지털 광 변조기의 예는 Texas Instruments 의 DLPTM 변조기이다. 이러한 디바이스들은 단일 프레임을 서브-프레임의 시리즈, 통상적으로 2n으로 쪼개는 것에 의해서 변조 깊이를 달성하며, 여기에서, n 은 통상적으로 6 과 10 사이이다. 특정 광 레벨을 달성하기 위해서, 변조기는 특정 픽셀이 프레임 동안 온 상태에 있는 서브-프레임의 개수를 변화시킨다. 프레임의 특정 픽셀이 디스플레이되는 컬러는 변조기의 대응하는 엘리먼트가 각각의 컬러에 대해서 "온" 상태에 있는 서브-프레임들의 개수에 의존한다. 개별적 픽셀들이 주어진 픽셀에 요구되는 밝기에 의존하면서, 서프-프레임들의 몇몇 부분을 위해서 턴온된다. 이상적으로 온 및 오프 서브프레임들은 프레임의 형성 동안에 인터리빙된다. 많은 상업용 시스템에서 서브프레임 레이트는 컬러 휠의 유효 회전 레이트보다 훨씬 높다는 것을 주의한다.
종래의 컬러 연속 동작의 한가지 단점은 광 경로가 단일 프레임의 형성동안에, 예를 들면, 관찰자의 머리 또는 눈의 움직임에 의해서, 또는 디스플레이 부분의 물리적 교합에 의해서 방해되면, 프레임은 하나 또는 두개의 컬러들로 강하게 치우지는 것으로 나타난다. 예를 들면, 광 경로가 적색 필터가 정렬될 때 부분적으로 또는 전체적으로 방해되면, 프레임은 적색 광의 세기에서의 감소를 이유로 녹색 및 청색으로 치우칠 것이다. 추가적으로, 광 경로의 오직 일부가 차단되 면 프레임은 프레임을 따라서 컬러 편중을 가질 것이다. 광 경로의 방해와 연관된 컬러 편중은 종래의 프로젝션 디스플레이 시스템에서 부정적 관찰자 경험을 초래할 수 있다.
본 발명에 따른 도 10 을 참조할 때, 종래의 백색 광원은 적색, 녹색 및 청색 레이저와 같은, 상이한 컬러들의 레이저 (1005) 의 세트를 포함하는 광 엔진 어셈블리 (1000) 로 대체된다. 광 엔진 어셈블리 (1000) 는 공간 변조기 (1010) 에 레이저 (1005) 의 세트에 광학적으로 커플링한다. 제어 전자장치 (1020) 는 레이저 제어기 (1025), 레이저 구동기 (1030), 및 공간 변조기 제어기 (1035) 를 포함한다. 레이저들 (1005) 의 세트는 예를 들면 본 발명 출원에서 설명된 레이저의 임의의 어레이의 세트를 포함한다.
레이저들 (1005) 의 각각의 컬러 레이저는 펄스 모드에서 개별적으로 구동가능하다. 광원에 대한 펄스 레이저를 사용하는 것에 의해서, 컬러 휠은 요구되지 않는다. 추가적으로, 펄스 레이트는 공간 변조기 (1010) 의 개별적 스위칭 기간 (서브-프레임) 만큼 빠르게 또는 그보다 빠르게 될 수 있다. 제어 전자장치 (1020) 는 펄스 레이저들에 의해서 발생된 레이저 펄스를 공간 변조기의 스위칭 기간으로 동기화시켜서, 하나의 컬러의 레이저 펄스들의 전체 개수가 단일 서브-프레임 동안에 발광된다. 레이저 소스의 펄스 레이트가 레이저에서 통상적 에플리케이션 타임스케일 또는 열적 타임스케일 보다 빠를 때, 예를 들면, >1 kHz, 그러면 레이저 소스는 일반적으로 QCW (quasi-continuous wave : 쿼시-연속파) 로 불린다. QCW 반도체 레이저들은 그 평균 전력보다 훨씬 높은 피크 전력을 가진 다. 이것은 부분적으로 펄스 모드로 레이저를 작동시키는 것이 기본 주파수에서 반도체 레이저들의 출력을 감소시키는 가열 효과를 제한하는 사실 때문이다. 추가적으로, 주파수-더블링 엘리먼트를 포함하는 레이저에 대해서, 변환 효율은 또한 펌프 레이저 전력에 대해서 비선형적으로 증가한다. 따라서 주파수 더블링 반도체 레이저들의 펄스 모드 동작은 특히 출력 전력을 증가시키는 데 이득이 있다. 게다가, 펄스 모드 동작은 스페클을 감소시키면서 또한 스펙트럼 확대를 생성한다.
도 11a 및 11b 은 펄스 모드에서 동작하는 공동 내부 주파수 더블링을 가진 연장 공동 레이저들에 대한 본 발명 출원의 발명자들에 의해서 이론적 및 실험적 연구를 도시한다. 도 11a 는 열적 타임 상수보다 길거나 비교될만한 펄스 길이를 가진 펄스에 대한 전류 대비 평균 기본 및 제 2 하모닉 생성 (SHG) 에서의 변화를 도시한다. 평균 전력은 많은 펄스들에 대한 평균임을 주의한다. 디바이스 가열 때문에, 기본 전력 출력은 개별적 펄스 동안에 감소할 것이다. 도 11b 는 펄스들이 열적 시간 상수보다 일시적 길이에서 크게 짧은 예를 도시한다. 이 경우에서, SHG 출력은 더 큰 범위의 전류에 대해서 전류에 따라 증가하며 도한 더 높은 평균 전력을 초래한다. 더 좁은 펄스들을 가진 SHG 출력이 개선되는 이유는 제 2 하모닉 전력 출력은 기본 전력의 제곱에 의존하는 점이다. 이러한 기본 전력 출력에 대한 제곱 법칙 의존성의 결과는 비교적 좁은 펄스의 선택이 시간-평균화된 제 2 하모닉 생성이 극적으로 향상되는 상황을 초래할 수 있다는 점이다.
바람직한 실시형태에서, 펄스 레이저 소스는, 본 명세서에서 참조 문헌으로써 포함된, 레이저로부터의 기본, 적외선을 디스플레이를 위한 가시관성으로 변환하기 위한 연장 공동내의 비선형 광학 물질을 가진, Mooradian 에 의한 특허 ("High power laser devices", 미국 특허 번호 제 6,243,407 호; "Efficiency high power laser device" 미국 특허 번호 제 6,404,797 호; "High power laser" 미국 특허 번호 제 6,614,827 호; "Coupled cavity high power semiconductor laser" 미국 특허 번호 제 6,778,582 호) 에서 설명된, 연장 공동을 가진 하나 이상의 표면 발광 반도체 레이저들로 구성된다. 다른 실시형태에서, 소스는 본 특허 출원에서 이밖에 설명된 레이저의 어레이로부터 형성된다.
반도체 레이저들은 서브-프레임 속도로 컬러 연속 방식으로 구동될 수도 있어서, 상이한 컬러가 임의의 두개의, 연속적 서브-프레임들 사이에 있을 수 있다. 도 12a 및 12b 는 이미지의 일 프레임의 형성 동안에 타임의 함수로써 빠른, 이진 변조기를 가진 시스템에 대한 프로젝션 스크린에서 단일 픽셀에 대한 광에서의 예시를 도시한다. 이러한 예시에서, 레이저들을 구동시키는 제어 전자장치는 공간 변조기에 대한 제어 전자장치와 동기화된다. 따라서, 레이저 펄스들의 정수 개수는 공간 광 변조기의 서브-프레임에 대응하는 각각의 시간 간격동안에 발생된다. 추가적으로, 제어 전자장치는 컬러 시퀀스의 기간, 즉, 얼마나 많은 백-투-백 서브-프레임들이 시퀀스가 다음 컬러 상으로 움직이기 전에 특정 컬러의 레이저 펄스들에 의해서 비춰지는 지를 결정한다. 도 12a 는 시퀀스가 작은 주기의 서브-프레임들을 가지는 예시를 도시한다 (예를 들면, 컬러는 각각의 새로운 서 브-프레임 "서브-프레임 컬러 연속 동작" 으로 연속적으로 움직인다). 도 12b 는 시퀀스가 큰 주기를 가지는 예시를 도시한다 (예를 들면, 특정 컬러의 레이저 펄스들은 프레임의 많은 또는 전부의 컬러 서브-프레임들 과 같은, 더 많은 그룹의 서브-프레임들에 대해서 각각의 서브-프레임에 대해서 생성된다). 제어 전자장치들은 하나의 광 엔진이 에플리케이션에 의존하여 컬러 시퀀스의 주기를 변화시키도록 적응될 수 있도록 상이한 모드들의 동작들을 가지도록 설계될 수도 있음을 주의한다.
도 12a 에서, 레이저 펄스들이 종래의 백색 광원 및 컬러 휠로 사용가능한 것보다 빠른 레이트에서 그룹핑하는 것 없이 연속 형태로 부여된다. 특히, 연속 형태는 서브-프레임 레벨에 대응하도록 선택될 수도 있다. 이것은 프레임 레벨 대신에, 서브-프레임 레벨에서 컬러 연속 방식으로 전체 시스템이 운영되는 것을 허용한다. 이것은 프레임 동안 광 경로에서의 임의의 중단은 단지 하나의 서브-프레임의 컬러 편중 레벨을 초래하는 것을 의미한다. 선택적으로, 연속 형태가 시스템이 비교적 작은 정수의 서브-프레임들에 대해서 컬러 연속 방식으로 운영되도록, 프레임 동안에 광 경로의 방해가 단지 적은 서브-프레임들의 커러 편중을 초래하도록 선택될 수도 있다. 통상적으로 (스위칭 주기들의 횟수에 의존하는) 26 내지 210 의 가능한 서브-프레임들이 존재하기 때문에, 편중의 감소는 상기 문제를 현실적으로 탐지할 수 었게 할 정도록 충분해야 한다. 이러한 방식으로, 광 경로의 방해는 세기에서의 감소로써 오직 인지되고, 단일 공간 변조기 (1010) 을 가진 시스템은 좀 더 복잡한, 다수-변조기 시스템 뿐만아니라 수행되는 것으로 인지될 수 있다.
미세 레벨의 입도에서 연속 형태들을 획득하기 위해서 컬러 휠을 사용하는 것은 비현실적인 것을 주의한다. 이론적으로 서브-프레임 레벨에서 컬러 연속 동작을 획득하기 위해서 컬러 휠 및 백색 광원을 사용하는 것이 가능하지만, 그것은 (1 MHz 만큼 높은) 극단적으로 높은 회전 속도 또는 그 에지 주변에 배치된 많은 필터들을 가진 복잡한 컬러 휠 중 하나를 필요로 할 것이다. 이러한 후자의 접근은 상술한 블랭킹 문제 때문에 매우 비효율적이다. 많은 필터들을 가지는 것은 유사한 개수의 블랭킹 기간을 의미하고, 순서대로 컬러 휠의 효과적 투과를 감소시키고 광원으로부터의 요구된 전력을 증가시킨다.
도 12b 에서, 특정 픽셀에 대한 스크린에 도달하는 광은 적색, 녹색 및 청색 광의 펄스의 시리즈로 구성되며, 여기에서, 컬러들은 그룹핑되고 펄스들의 그룹들은 연속적으로 부여된다. 몇몇 경우에서, 펄스들은 단일 이미지에 대한 특정 컬러의 스크린에 도달하는 전체 광이 얼마나 변조될 수 있는 지를 보여주면서, 스킵되며, 즉, 존재하는 더 많은 펄스들이 있을수록 (온 상태), 특정 컬러는 상기 프레임내의 상기 픽셀에 대해서 더 밝다.
도 12b 에서 도시된 동작의 방법은 평균 전력 레벨을 향상시킨다. 상술한 바와 같이, 광원들은 주파수 더블된 반도체 레이저들을 구성할 수도 있다. 적외선 레이저들의 비선형 주파수 변환의 기본 양태들 중 하나는 입력 전력에 대한 변환된 전력의 초선형 의존성이다. 이것의 결과는 기본 반도체 레이저 펌프 소 스를 펄스시키는 것은 평균 기초로 향상된 출력을 이끌 수 있다는 것이다. 이것은 기본 소스에 의해서 전달된 평균 전력이 그 CW 평균 레벨로부터 감소되는 경우에도 적용될 수 있다. 입력 전력과 주파수 변환된 전력 사이의 의존성이 지수 n (여기서 n>1) 으로 상승되는 입력 기본 전력에 따라 지속되면, CW 에 대한 펄스화에 대한 상승 인자는 n 번째 전력으로 상승된 CW 기본 전력에 대한 피크 펄스 기본 전력의 비율에 의해서 주어지고, 그 후 1 주기 동안엔 기본이 온인 시간의 부분에에 의해서 곱해진다. 따라서, 레이저 소스가 QCW 모드로 동작하고, 각각의 컬러가 적절한 타이밍을 통하여 시간에 따라 분리될 수 있다면, 도 12b 에 도시된 동작 모드는 레이저 소스의 풀 전력이 사용되는 것을 허용하고, 그에 반하여, 도 12a 에 도시된 동작은 평균 전력의 일부만이 사용되는 것을 허용한다. 따라서, 도 12b 의 방법은 따라서 펄스 레이저 광을 더 효율적으로 사용하게 한다.
도 12a 및 12b 의 방법들 모두를 지원하는 광 엔진의 다른 장점은 비교적 느린 공간 변조기를 포함하는, 상이한 타입들의 공간 변조기로 사용될 수 있다는 점이다. 또한, 광 엔진은 상이한 시스템과 호환가능하여 광 엔진은 가능한 최고의 볼륨에서 활용될 수 있는 것이 바람직하다.
감소된 비용 및 복잡성 때문에, 컬러 연속 시스템들이 매우 우세하다. 이것은 이러한 시스템들에 대한 요구가 전자 시스템과 같은, 다른 보조 시스템으로 설계되었음을 의미한다. 컬러 연속 시스템에서 사용된 백색 광원을 대체하는 새로운 광원을 설계할 때, 새로운 소스가 바르게 채용될 수 있도록 이러한 요구를 인지하고 따라서 광원을 설계하는 것이 중요하다. 특히, 광 엔진이 매우 다양 한 디스플레이 에플리케이션에서 종래의 UHP 램프에 대한 일반적 대체물로써 사용될 수 있도록 광원 및 제어기를 가지는 것이 바람직하다.
디지털 공간 광 변조기들을 가진 광 엔진들이 그 높은 속도로 인해서 우세한 디스플레이 특성을 가지는 반면에, 광 엔진에 대한 전체 시장을 대표하지는 않는다. 따라서, 레이저 광원은 더 느리지만 거의 제로 반사율 (full-off) 에서 매우 높은 반사율 (full-on) 까지 조정될 수 있는 LCOS 과 같은 넓은 범위의 변조를 가지는 공간 변조기들을 가진 광 엔진에서 사용되도록 설계되는 것이 바람직하다. 그러한 변조기들은 일반적으로 프레임 또는 서브-프레임 동안에 일정한 레벨의 변조를 유지한다. 몇몇 설계에서, 컬러 당 하나의 변조기가 사용되며 변조기들은 프레임 당 기초로 레벨을 변화시킨다. 다른 설계에서, 단일 공간 변조기가 사용되고 변조기에 부딪치는 컬러는 연속적으로 변한다 (컬러 연속 동작). 광원이 백색광을 발광할 때, 컬러 휠은 광원의 연속 필터링을 제공하는 데 사용된다. 그러한 컬러 휠들은 상이한 필터들 사이의 경계들을 본질적으로 가지며, 이러한 경계들 중 하나가 광원을 가로질러 스윕하는 시간 동안에, 공간 변조기는 관찰자에게 왜곡된 컬러들을 제공하지 않기 위해서 턴오프되어야 한다. 이러한 시간들이 블랭킹 기간들로 불린다.
도 13 은 비교적 느린 공간 변조기를 가진 광 엔진 설계와 호환가능한 컬러 연속 동작에 대한 단일 컬러 레이저 소스를 구동시키는 방법을 도시한다. 이 예시에서, 각각의 컬러 레이저는 블랭킹 기간을 제외하고, 프레임 시간의 대략 1/3 에 대해서 온 상태이다. 따라서, 이 예시에서, 다중 컬러 레이저 소스의 각각 의 레이저는 블랭킹 기간을 포함하는 종래의 (비교적 느린) 컬러 시퀀스와 호환가능한 시퀀스로 구동될 것이다. 레이저들의 동작을 현존 시스템과 호환가능하게 만드는 것에 의해서 광 엔진은 LCOS 변조기들과 같은 비교적 느린 비-DLP 공간 변조기들로 사용된 종래의 백색 광원들의 대체로써 유용하게 된다. 단일 레이저 제어기는 DLP (빠른 디지털 공간 변조기) 및 LCOS (느린 공간 변조기) 양자가 지원되는 듀얼 모드 동작을 가지도록 프로그래밍되는 것으로 이해될 것이다. 비교적 느린 공간 변조기의 경우에, 시각적 불순물들은 (하나의 레이저 컬러가 활성인 보다 긴 시간 주기 때문에) 더욱 인지될 수 있고 따라서 동작의 방법은 레이저가 활성일 때 거의 즉시 희망된 전력 레벨로 "스냅온 (snap-on)" 되는 레이저를 가지는 반면에 활성으로 구동되지 않는 레이저의 출력을 인지될 수 없는 레벨로 최소화시킨다. 이러한 특징들은 느린 공간 변조기를 가진 및 컬러 휠이 없는 시스템에서 다중 컬러 소스를 사용하는 것이 용이하게 한다.
도 13 으로 다시 되돌아 갈 때, 비교적 느린 공간 변조기를 비추는 레이저 광원을 활용하는 컬러 연속 디스플레이 시스템에서, 컬러 휠에 대한 필요성을 제거하면서, 다른 컬러들이 디스플레이되는 기간 동안에 인지할 수 없는 레벨로 레이저 컬러들의 하나를 제외한 모든 출력을 감소시키는 것이 바람직하다. 인지할 수 없는 기저 레벨은 최대 수준의 컬러 오염, 즉, 적색이 의도된 컬러일 때 얼마나 많은 청색 및 녹색 광이 수용가능한 지등을 결정하는 것에 의해서 특정 시스템에 대해서 계산될 수 있다. 준비 시간 (warm-up time) 과 같은 문제들 때문에, 각각의 레이저 소스의 기초 레벨 구동을 제로로 감소시키는 것은 바람직하지 않다. 대신에, 구동 방식은 레이저 소스의 쓰레쉬홀드 성질을 활용하여, 가시광 출력을 최소 레벨, 즉, 레이저가 사전 선택된 쓰레쉬홀드 레벨 이하로 가시광을 생성하지만 여전히 열적으로 중요한 레벨에서 구동되는 광학적으로 조용한 오프 상태에 대응하는 구동레벨로 유지하는 동안에, 구동 레벨을 열적으로 중요한 레벨로 유지시킬 수 있다. 레이저 소스는 열적 렌징에 의해서 안정화되는 레이저 공동들과 같은, 레이저의 쓰레쉬홀드를 밀어올리는 하나 이상의 설계 엘리먼트들을 병합하는 것에 의해서 이 방식을 이용하도록 설계될 수도 있다. 추가적으로, 가시광이 비선형 프로세스를 통하여 발생되면, 예를 들어 제 2 하모닉 생성 (SHG), 입력 구동과 출력 광 사이의 비선형 관계들은 상술한 효과를 향상시키는 데 사용될 수도 있다.
도 13 에 도시된 바와 같이, 오버 구동 (overdrive) 기간은 블랭킹 기간 동안에 포함될 수도 있다. 블랭킹 기간은 레이저 소스의 광 출력에 상관없이, 레이저 소스를 바르게 동작 상태로 만드는 방법으로 구동시키는 데 사용될 수도 있다. 특히, 이전 섹션에서 상술한 바와 같이, 레이저가 그 오프 상태 동안에 감소된 구동 레벨에서 운영되면 (언더 구동 (underdrive)), 레이저는 통상의 동작 온도로 되돌리기 위해서 블랭킹 기간 동안에 오버 구동되며, 그후 블랭킹 기간이 종결되기 전에 통상 구동 레벨로 되돌아간다.
많은 에플리케이션에서, 레이저에 대한 전력 안정화 방식을 제공하는 것이 바람직하다. 이것을 달성하는 종래의 방법은 레이저의 전력-전류 특성에 기초해서 피드백 루프를 생성하는 것이다. 구동 변조는 또한 레이저 어레이들을 가 진 사용에 채용될 수도 있다. 예를 들면, 레이저 어레이에서 레이저 어레이는 독립적으로 동작 가능한 상이한 세그먼트들로 전기적으로 구성될 수도 있다. 따라서, 특정 컬러의 레이저들의 서브세트가 임의의 시간에 펄스될 수도 있다. 펄스 구동은 레이저 어레이의 상이한 공간 세그먼트에 적용될 수도 있다. 세그먼트화된 펄싱은 간섭 고정을 감소시키기 위해서 선택될 수도 있다. 추가적으로, 세그먼트화된 펄싱은 출력 전력을 안정화시키기 위해서 선택될 수도 있다. 하지만, 레이저 어레이의 펄스 동작을 가진 바람직한 실시형태에서, 전력 안정화 방식내의 추가적 유연성이 가능하다. 종래의 전력-전류 루프의 경우에서, 어레이의 추가적 장점은 어레이에 의해서 제공된 평균화는 단일 발광기의 평균화보다 더 안정되고 균일한 전력-전류 관계를 이끈다는 점이다. 전력을 안정화시키는 다른 방법은 고정된 펄스 전류에 따라서 동작하지만, 펄스 폭 및/또는 반복 레이트를 변화시키는 것이다. 전력을 안정화시키거나 변화시키는 또 다른 방법은 전력을 어레이 또는 일부분에서 개별적 엘리먼트들의 턴오프 지점까지 선택적으로 변화시키는 것이다. 이것은 적절하게 설계된 전기 방식을 통하여 달성될 수 있다.
그러한 방식들은 공간 변조기가 갈보노미터 (galvonometer) 상에 탑재된 한쌍의 미러들과 같은, 빠른 빔 스캐너인, 디스플레이 시스템에 대해서 레이저 소스들을 구동시키는 데 또한 사용될 수 있다. 이 시스템들은 픽셀 변조 레이트 (프레임 당 픽셀의 개수로 곱해진 비디오 프레임 레이트) 에서 발생되어야 할 개별적 세기 변조를 요구한다. 반도체 레이저들과 같은, 직접-전기적 펌핑된 레이 저 소스들은 이 레이트들에서 직접 변조될 수 있다. 이미지 정밀성을 유지하기 위해서, 소정의 세기 레벨을 정확하게 생성할 수 있는 것이 중요하다. 상술한 바와 같이,레이저 어레이의 사용은, 전력-전류 관계가 평균화 때문에 균일해짐에 따라, 이러한 요구를 만족시키기가 더 쉽게 될 것이다. 추가적으로, 변조는 펄스 폭, 펄스 반복 레이트, 및 전류를 개별적 엘리먼트들로 변화시키는 것에 의해서 달성될 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 적외선 소스는 연장 공동을 가진 표면 발광 반도체 레이저 또는 레이저 어레이이며 비선형 물질은 연장 공동 내부에 위치되며 제 2 하모닉 변환을 위해서 구성되고, 레이저 또는 레이저 어레이는 직접적 전기적 분사를 통해서 여기된다.
Ⅲ. 비선형 주파수 변환을 가진 수직 연장 공동 표면 발광 레이저들 및 레이저 어레이의 향상된 주파수 안정화
A. 박막 간섭 필터
도 14 를 참조할 때, 연장 공동 레이저는 이득 엘리먼트 (1405), 스펙트럼 필터 (1410), 및 출력 커플러 (1420) 를 포함한다. 파장 (또는 균등하게는 주파수) 제어는 레이저 설계의 필수적 부분이다. 레이저 파장의 전반적 이웃이 레이저 시스템의 물질적 이득 성질에 의해서 규정되는 반면에, 그것은 통상적으로 특정 에플리케이션에 대한 레이저의 파장 출력을 맞추기 위해서 보다 많은 노력이 든다.
최종 에플리케이션은 서브-나노미터 파장 스펙트럼을 요구하는 반면에 반도체 물질의 광학 이득은 파장면에서 수십 나노미터에 통상적으로 걸쳐있기 때문에, 반도체 레이저들의 파장 제어는 레이저 설계자들에게 일반적인 문제이다.
공동 내부 주파수-더블된 수직 연장 공동 표면-발광 레이저 (VECSEL) 는 다양한 에플리케이션들에서 유용한 것으로 입증되었다. 공동 내부 주파수-더블된 VECSEL은 연장 공동을 형성하기 위해서 표면 발광 레이저로부터 이격된 표면 발광 이득 엘리먼트 (1405) 및 출력 커플러 (1420) 를 포함한다. 출력 커플러 (1420) 는 기본 주파수에서 생성된 광을 표면 발광 이득 엘리먼트 (1405) 로 반사시킨다. 공동 내부 주파수 더블링 크리스탈 (1415) 은 기본 빔의 주파수의 2 배와 동일한 주파수에서 광을 생성한다.
공동 내부 주파수-더블된 VECSEL 의 변환 효율은 기본 주파수에서 VECSEL 의 종축 모드 특성에 의존한다. 제 2 하모닉 주파수 더블링과 같은, 비선형 주파수 변환 프로세스들은 실제적 길이 (예를 들면, 수 밀리미터들) 의 대부분의 비선형 크리스탈에 대해서 1 nm 이하의 단위로 통상적 대역폭에 의존적인 파장 (주파수) 이다. 따라서, 내부 주파수 더블된 VECSEL에서, 기본 주파수 주변의 레이저 광의 종축 모드 스펙트럼 및 주파수의 제어는 주파수 더블된 광의 고 출력 전력을 획득하는 데 중요하다. 에플리케이션에 의존하면서, 선택된 범위 내의 주파수 제어는 비선형 변환 효율성을 개선시킨다. 광 엔진의 관점에서, 주파수 범위는 스페클을 감소시키기 위해서 스펙트럼 펄스 확산의 범위와 일치하도록 더 선택될 수 있다.
게다가, 공동 내부 주파수 더블된 VECSEL 의 변환 효율은 연장 공동 내의 광학 손실에 크게 의존한다. 광학 손실은 공동 내부 주파수 더블링 프로세스들의 효율성을 감소시키는 것을 일반적으로 알려진다. 예를 들면, 그 내용이 참조 문헌으로써 본 명세서에서 병합된, R. Smith, "Theory of intracavity optical second-harmonic generation", IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 6, p.215 (1970) 을 참조한다. 여러 영향들이 발생하지만, 주파수 더블링 프로세스들은 변환 프로세스의 효율이 기본 파장에서 순환 전력에 비선형적으로 의존하는 비선형 프로세스들이다. VECSEL 에서 기본 파장에서 높은 순환 전력을 만들기 위해서, 연장 공동내에 비교적 낮은 손실들이 요구된다.
본 발명 출원의 발명자에 의한 계산은 주파수 더블된 VECSEL들은 높은 변환 주파수들을 달성하기 위해서 특히 낮은 손실을 요구한다는 것을 나타낸다. 특히, 본 발명 출원의 발명자에 의한 계산은 공동 내부 스펙트럼 필터 (1410) 때문에 표면 발광 이득 엘리먼트 (1405) 의 기본 파장 (주파수) 에서 1% 싱글-패스 (single pass) 손실이, (내부 주파수 더블링 에 대해서) 15 내지 20 % 또는 그 이상 만큼 제 2 하모닉 전력의 감소를 초래하는, 기본 파장에서 공동 내부 순환 전력에서의 10% 이상 손실을 쉽게 초래할 수 있음을 나타낸다.
공동 내부 주파수 더블링을 가지는 VECSEL 에 대한 스펙트럼 필터의 설계는 여러 트래이드오프 (tradeoff) 의 고려를 포함한다. 공동 내부 주파수 더블된 VECSEL 의 주파수를 제어할 수 있는 스펙트럼 필터들은 또한 관련된 광학 손실을 야기하는 경향이 있다. 주파수를 제어하기 위해서 추가적 광학 엘리먼트들을 공동 내부 주파수 더블된 VECSEL 로 삽입하는 것은 기본 주파수를 제어하는 것에 의해서 제공된 증가된 변환 주파수와 상승된 광학 손실과 관련된 전력의 감소 사이 의 트래이드오프를 초래한다. 작은 광학 손실을 가진 오직 주파수 선택적 엘리먼트들은 공동 내부 주파수 더블된 VECSEL 의 변환 주파수에서 수순한 개선을 초래한다. 통상적으로 광학 손실에 대한 제약은 다시 통상적 반도체 레이저들의 파장 범위 내에서 주파수 선택적 엘리먼트들의 선택은 대략 1 % 이하의 손실을 가질 수 있는, 코팅된 에탈론 및 복굴절 필터들로 제한시킨다. 대조적으로, Edmunds Optics 로부터 상업적으로 사용가능한 노치 필터들은 공동 내부 레이저 에플리케이션에 대해서 적절하지 않는, 대략 90% 로 명기된 최대 투과율 가진다. 에탈론 및 복굴절 필터에 대한 배경 정보는, 각각의 내용이 본 명세서에서 참조 문헌으로써 포함된, C. C. Davis, "Lasers and Electro-Optics: Fundamentals and Engineering", Cambridge University Press (2002, p.73), 및 P. J. Valle 와 F. Moreno, "Theoretical study of birefringent filters as intracavity wavelength selectors" Applied Optics, v.31, p.528 (1992) 에서 설명된다. 통상적 배열은 빔 방향을 규정하는 레이저 광학축으로의 각에서 레이저 공동에서 배치된 스펙트럼 필터 (Fabry-Perot 에탈론 또는 복굴절) 로 구성된다. 이러한 틸트각은 통상적으로 원하지 않는 피드백 효과를 억제하기 위해서 및/또는 희망된 스펙트럼 성능으로 스펙트럼 필터를 각도적으로 튜닝하기 위해서 사용된다.
하지만, 대략 1% 미만의 손실을 가진 Fabry-Perot 에탈론 및 복굴절 필터들이 선택될 수 있는 동안에, 이러한 스펙트럼 필터들은 주파수에 대해서 희망된 수준의 제어를 제공하지는 않고, 또한 그 제조 가능성을 제한할 수 있는 제조 단점을 가진다. 일 예시로써, Fabry-Perot 에탈론은 에탈론의 광학 두께 및 광의 파장 에 의해서 결정된 주기성을 가지는 투과성에서의 피크가 존재하는 광학 반응을 가진다. 레이저 다이오드들의 이득 스펙트럼과 관련해서, 이것은 동작 조건의 연장된 범위에 대해서 충분한 종축 모드 식별을 제공하지 않을 수도 있다. 특히, 에탈론의 많은 투과 피크들은 레이저 다이오드의 이득 스펙트럼내에 놓여져서 종축 모드는 모든 동작 조건들에 대해서 고정되지 않을 수도 있다.
연장 공동 표면 발광 반도체 레이저의 주파수를 고정하기 위해서 에탈론들을 사용하는 것과 관련된 몇몇 문제들의 예시로써, 1064 nm 중심 파장 주변의 0.4 nm 의 (반폭치 즉, FWHM 으로 규정된) 대역폭을 가진 에탈론 필터를 설계하는 현실적 경우를 고려한다. 그러한 대역폭은 1064 nm 파장에서 대략 35% 반사율로 양면 코팅된 300 미크론 두께의 용융 실리카 에탈론으로 대략 달성될 수도 있다. 대응한 투과 곡선은 도 15 에 도시된다. 1064 nm 가 중심인 스펙트럼 투과 피크가 0.4 nm 의 희망된 대역폭 목적을 만족시키는 반면에, 중심 피크로부터 대략 1.3 nm 에서 위치된 주변 투과 피크들 (에탈론 없는 스펙트럼 범위, 즉 FSR) 은 레이저 발광에 대한 희망하지 않는 스펙트럼 채널들을 제공할 수도 있다. 반도체 레이저가 수십 나노미터들에 대해서 연장하는 이득 스펙트럼을 가질 수 있기 때문에, 도 15 로부터 많은 상이한 에탈론 피크들이 레이저의 이득 스펙트럼내에 있음이 이해될 것이다. 따라서, 에탈론에 의해서 제공된 주파수 분별은 불충분할 수도 있다.
이러한 문제에 대한 한가지 가능한 해결방법은 더 적은 에탈론 피크들이 레이저의 이득 스펙트럼 내에 있도록 스펙트럼 범위를 증가시키기 위해서 더 얇은 에 탈론을 사용하는 것이다. 더 얇은 에탈론은 공진 피크들 사이에서 더 넓은 분리를 가지지만 또한 좁은 대역폭을 달성하기 위해서 더 높은 굴절률을 요구한다. 하지만, 높은 굴절률 미러들을 가진 얇은 에탈론은 틸트된 에탈론을 통하여 투과하는 가우시안 빔들에 대한 더 높은 워크-오프 (walk-off) 회절 손실들을 초래할 수 있다. 추가적으로, (100 미크론 미만) 매우 얇은 에탈론들은 제조하고, 코팅하고 다루기 더 어려워진다.
다른 가능한 해결방법은 결합된 광학 반응이 단일 에탈론보다 투과율에서 피크들 사이의 더 넓은 분리 및 좁은 대역폭을 가지도록 두개의 에탈론들을 사용하는 것에 의해서 달성될 수 있다. 두개의 에탈론들을 가진 공동 내부 레이저는 미국 특허 출원 번호 10/745,342 호, C. A. Amsden, M. K. Liebman, A. V. Shchegrov, 및 J. P. Watson 에 의한 "Compact Extended Cavity Laser"에서 설명된다. 하지만, 2 개 에탈론 레이저 설계는 레이저에 복잡성 및 비용을 추가시킨다.
복굴절 필터들은 에탈론의 문제와 어느 정도 유사한 문제를 가진다. 공동 내부 복굴절 필터들에 대해서 사용된 가장 일반적 물질이 크리스탈 석영이다. 0.4 nm 의 FWHM 을 가진 스펙트럼 필터를 생산하는 것은 (공동내의 각 방위 및 크리스탈 단면에 의존하는 1 cm 또는 더 두꺼운 단위의) 두꺼운 조각의 석영을 요구하며 이것은 콤팩트하고 저비용 공동에서 사용하기에 비현실적일 수 있다. 한가지 해결방법은, 다시, 여러 복굴절 필터 판들을 사용하는 것이지만 그것은 또한 콤팩트하고 저비용 레이저에 바람직하지 않는 복잡성 및 비용을 추가시킨다.
또 다른 고려사항은 에탈론 및 복굴절 필터 양자는 제조된 필터들의 공진 주파수가 크게 변하는 간섭 효과에 의존하는 점이다. 예를 들면, 에탈론의 정확한 공진 주파수를 예측하기 위해서, 일부의 파장 안에서 정확성을 가진 에탈론의 두께를 제조해야 할 것이다. 에탈론의 필터 반응에서의 제조 차이는 스펙트럼 필터 피크 파장을 기계적, 열적, 또는 전기-광학적 조정을 사용해서, 비선형 물질의 피크 파장으로 매칭시키기 위해서 조정될 수도 있다. 하지만, 이러한 옵션들은 종종 희망된 명목 값들로부터 큰 편위 (excursion)(예를 들면, 각도적 또는 열적) 를 요구하며 콤팩트 및 저비용을 위해서 설계되어야 하는 레이저 시스템에서 바람직하지 않다.
제조 고려사항은 또한 다양한 방법으로 에탈론 및 복굴절 필터들의 설계를 제한하는 경향이 있다. 에탈론들은 에탈론들의 두께에 반비례적으로 의존하는 스펙트럼 범위 (공진 피크들 사이의 분리) 가진다. 예를 들면, 상술한 바와 같이, 얇은 에탈론은 넓은 스펙트럼 범위를 가진다. 하지만, 얇은 에탈론은 또한 두꺼운 에탈론보다 두께를 지닌 스펙트럼 필터 피크의 위치에서의 더 넓은 변이를 가진다. 에탈론은 에탈론에서 에탈론으로 변하는 제조 허용 오차 및 또한 하나의 에탈론에 따른 두께에 관한 제조 허용 오차를 가질 것이다. 결과적으로, 넓은 범위를 커버하는 표면 발광 레이저들의 어레이를 지원할 수 있는 넓은 면적 에탈론들을 제조하는 것이 어렵다.
상술한 문제들의 관점에서, 본 발명의 장치 및 시스템이 개발되었다. 본 발명의 실시형태들은 에탈론 및 복굴절 필터와 같은 종래의 주파수 선택성 필터들 을 대신하는 주파수 선택성 필터를 사용해서 표면 발광 레이저 또는 레이저 어레이들의 주파수를 안정화시키는 방법을 설명한다. 이것은 잠재적 비용 감소를 제공하고, 제조 가능성을 향상시키고, 출력 레이저 파장의 정확한 설계를 허용하며 희망된 스펙트럼 성능을 달성시키는 비용이 드는 기계적 또는 열적 조정을 요구하지 않는다. 본 발명의 실시형태들은 또한 가공된 (engineered) 주기적 극성인 비선형 물질들을 사용해서 제 2 하모닉 발생과 같은, 공동 내부 비선형 주파수 변환을 위해서 설계된 레이저 또는 레이저 어레이들을 주파수 안정화시키는 데 특히 적합하다. 이것은 특히 그러한 비선형 물질들은 타깃 파장에서 정확히 비선형 변환을 위해서 가공될 수 있고, 여분의 기계적 또는 열적 조정 없이 레이저를 주파수 안정화시키는 단순하고 저비용 방식을 가지는 것은 에탈론 및 복굴절 필터들과 같은, 주파수 안정화에 대한 다른 대안적 방식보다 큰 비용면에서 장점을 초래하기 때문에, 특히 중요하다.
도 16 은 종래의 스펙트럼 필터들이 박막 간섭 필터들 (1610) 로 대체되는 본 발명의 일 실시형태에 따른 공동 내부 주파수 더블링을 가진 VECSEL 을 도시한다. VECSEL 은 기본 주파수에서 광을 발생시키기 위한 칩 상에 배치된 표면 발광 반도체 이득 엘리먼트 (1605) 를 가진다. 예시적 이득 엘리먼트는 본 명세서에서 참조 문헌으로써 포함된, A. Mooradian 에 의한 특원들 ("High power laser devices", 미국 특허 번호 제 6,243,407 호; "Efficiency high power laser device", 미국 특허 번호 제 6,404,797 호; "High power laser", 미국 특허 번호 제 6,614,827 호; "Coupled cavity high power semiconductor laser", 미국 특허 번호 제 6,778,582 호) 에서 설명된 설계에 기초한다. 기본 이득 엘리먼트 (1605) 의 많은 변화들이, 공간 고유모드 (eigenmode) 를 안정화시키는 렌즈 또는 렌즈들의 결합 및 블래그 미러 구조의 변화처럼, 본 발명의 범위 내에 존재한다.
비선형 크리스탈 (1615) 이 선택적으로 포함될 수도 있다. 이득 엘리먼트 (1605) 로부터 이격된 출력 커플러 (1620) 는 연장 공동을 규정한다. 출력 커플러 (1620) 는, 예를 들면, 기본 주파수에서 이득 엘리먼트 (1605) 로 광을 반사시키는 미러를 포함할 수도 있다.
바람직한 실시형태에서, 이득 엘리먼트 (1605) 는 두 개의 한층한층 쌓은 (epitaxially grown) 1/4 파장 브래그 미러 스택들 (1601 및 1603) 을 포함하며, 스택들 중 하나는 설계 파장에서, 예를 들면 976 nm 에서, 매우 반사적이며, 다른 하나는 이 파장에서 부분적으로 반사적이다. 양자 우물들을 통상적으로 포함하는, 이득 매개체 (1607) 는 또한 한층한층 쌓여지며 파장의 전체 개수에 대응하는 기본 파장에서 광학 두께를 가진 영역 (1609) 에서 두개의 미러 스택들 사이에 샌드위치된다. 공진 스패이서 레이어에 의해서 이격된 브래그 미러 스택들 (1601 및 1603) 의 배열은 공진 주파수 및 관련된 대역폭을 가진 이득 엘리먼트 (1605) 를 초래한다. 현실적 에플리케이션에서, 하지만, 반사율의 실제 및 허상 컴포넌트들은 광학 이득 및 전자-홀 쌍들의 존재로 인해서 이득 영역에서 변할 것이다. 결과적으로, 브래그 미러 스택들 (1601 및 1603) 은 그 스스로 동작 조건의 범위에 대해서 레이저 파장의 충분한 제어를 제공하지 않는다.
공동 내부 주파수 더블링 구조에서 연장 공동 레이저는 바람직하게는 기본 주파수에서 높은 밀도의 광자들을 생성하도록 설계된다. 예를 들면, 출력 커플러 (1620) 는 기본 주파수 부근에서 매우 높은 굴절률을 가져서 기본 주파수의 광자들이 공동 내부에서 많은 왕복을 하도록 설계될 수도 있다. 기본 주파수에서 이러한 순환하는 광은 비선형 크리스탈 (1615) 을 통하여 각각의 패스에서 주파수 더블된 주파수에서 광으로 부분적으로 변환된다. 하지만, 비선형 변환 프로세스들은 입력 전력 밀도들에 매우 민감하다. 따라서, 내부 주파수 더블링 구조에서, 연장 공동 내부에서 순환하는 기본 주파수에서의 광의 고 전력 밀도를 가지도록 연장 공동 레이저를 설계하는 것이 바람직하다. 주파수 더블된 주파수에서의 광은 연장 공동 외부에서, 연장 공동 외부에서 제 2 하모닉에서의 광을 선택적으로 커플링하기 위해서 출력 커플러를 통하여 직접 또는 추가적 커플링 체계 (미도시) 를 통하여, 커플링된다.
일 실시형태에서, 박막 필터 (1610) 는 추가적 주파수 제어를 제공하기 위해서 선택된 브래그 미러 구조를 포함한다. 바람직한 실시형태에서, 박막 간섭 필터 (1610) 는 공진 응답을 규정하는 브래그 미러들을 포함한다. 일 실시형태에서, 박막 간섭 필터 (1610) 는 이득 엘리먼트 (1605) 의 응답과 광학적 아날로그한 공진 응답을 가진다. 특히, 브래그 미러들 및 브래그들 미러들 사이의 분리는 이득 엘리먼트 (1605) 의 브래그 미러 구조에 광학적 아날로그일 수도 있다. 이 실시형태에서, 이득 엘리먼트 (1605) 로부터의 파장 제어 함수의 전부 또는 부분을 본질적으로 분리시키며 그것을 외부 공동으로 이동시킨다.
도 17 은 본 발명의 일 실시형태에 따라서 예시적 박막 간섭 필터 (1610) 를 보다 상세히 도시한다. 박막 레이어들 (1701, 1703 및 1709) 은 종래의 증착 기술들을 사용해서 기판 (1720) 상에 형성된다. GaAs 와 같은 반도체 물질들을 포함하는, 상이한 기판들이 사용되는 동안에, 용융 실리카와 같은 일반적 광학 기판들을 사용하는 것이 편리하다. 기판 및 박막 코팅들은 반도체 물질들과 비교할 때 반사율의 더 우수한 제어 및 안정성을 가지도록 선택될 수도 있다. 예를 들면, 박막들 및 광학 레이어들의 모두는 절연체 및/또는 금속 산화물과 같은 반도체가 아닌 물질들로 형성될 수도 있다. 예시적 구조들은 1/4 파동 더 높은- 및 더 낮은- 인덱스 레이어 쌍들의 두개의 스택들 (1701 및 1703) 및 미러 스택들 사이의 (용융 실리카일 수도 있는) 공진 스패이서 (1709) 를 포함한다. 미러 레이어 스택들 (1701 및 1703) 은 동일한 굴절률을 가질 수 있으며 비-공진 스패이서 레이어 (1711) 는 두개의 스택들의 동일한 굴절률을 확인하기 위해서 제 2 미러 스택 상에서 쌓여질 수도 있다. 마지막으로, 구조의 양 면들 상의 외부 레이어들은 타깃 파장 (여기에서는 976 nm) 에 대한 반반사적 (anti-reflective) 으로 설계되며, 필요하다면, 제 2 하모닉 파장에 대해서는 (488 nm) 이다. 종래의 고체 에탈론들과 대조적으로, 동일한 굴절률 사양으로 양 면들에 코팅되고 규정된 두께로 얇게된 용융 실리카 또는 BK7 광학 유리로 제조될 수 있는, 종래의 고체 에탈론들과 대조적으로, 본 발명의 간섭 필터 설계는 타깃 최대 투과 파장의 정확한 설계를 허용한다.
도 18 은 간섭 필터를 구현하는 예시적인 일련의 박막 코팅을 보다 상세히 도시한다. 이 예시에서, 실리콘 이산화물 및 탄탈륨 산화물 코팅은, 예를 들 면, 이온 빔 스퍼터링을 사용해서 용융 실리카 기판상에 증착된다. 코팅은 0.4 nm 의 FWHM 을 가진 976 nm 의 기본 파장으로 공진 투과 피크에 대해서 설계된다. 박막 간섭 필터는 또한 (1/4 파동 스택들은 기본 파장의 1/2 파장을 가진 제 2 하모닉 주파수에 대해서 1/2 파장 스택으로 나타나기 때문에) 488 nm 의 제 2 하모닉에서 광을 투과할 것이다. 듀얼 대역 반반사 코팅은 간섭 필터의 양 면들 상에 증착된다.
도 19 는 박막 설계 TFCalc 로 모델링된 도 18 의 필터 구조의 광학 투과 응답의 이론적 계산을 도시한다. 기본 타깃 파장에서의 이론적 투과 피크는 0.4 nm 의 FWHM 으로 100% 에 접근한다.
도 20 은 도 18 과 유사한 레이어 시퀀스를 가진 제조된 필터의 실험적 연구를 도시하는 그래프이다. 간섭 필터는 이온 빔 스퍼터링 (IBS) 코팅 기술을 사용해서 제조되었다. 이러한 필터의 투과 측정은 그후 조정가능 레이저를 사용해서 수행되었다. FWHM 은 0.4 nm 이고 타깃 파장에서의 투과율은 99% 보다 크다. 수 나노미터보다 큰 연장된 파장 범위에서 오직 하나의 공직 피크가 존재함을 또한 주의한다. 특히, 10 나노미터의 파장 범위에 대한 이득을 가질 수 있는, 종래의 반도체 이득 물질의 파장 범위 내의 오직 하나의 공진 피크가 존재할 것이다. 따라서, 공진 응답은 제한된 스펙트럼 범위를 가진 종래의 에탈론과 달리, 희망된 파장 범위로 주파수를 고정하는 것을 용이하게 할 것이다.
간섭 필터의 다른 설계는 그 굴절률들을 같게 하고 "오른쪽" 미러 스택에 대해서 제 2 하모닉 (488nm) 에 대한 반반사 효과를 생성하기 위해서 최적화된 구조 를 지닌 "왼쪽" 및 "오른쪽" 브래그 미러 스택에 대한 미세하게 상이한 레시피 (recipe) 를 사용하는 것이다. 이 설계는 더 단순한 코팅을 만드는 오른쪽에 대한 반반사 코팅 스택 및 비공진 스패이서 레이어를 제거하게 할 수 있다.
상술한 타입의 박막 간섭 필터를 가진 레이저 또는 레이저 어레이를 안정하게하는 것은 본 발명에서 설명된 설계가 본 발명자에 의해서 제안되고 테스트가 수행되기 전에는 현실적 해결방법으로 알려지지 않았다. 이것에는 몇가지 이유가 존재한다. 먼저, 도시된 대역폭을 가진 (노치 필터로 또한 알려진) 협대역 스펙트럼 필터들이 설계되고 에플리케이션의 범위에서 상업적으로 제조되는 동안에 도 19 내지 20 에서 도시된 필터처럼 일반적으로 협대역이 아니고 크게 높은 투과 손실을 가진다. 예를 들면, Edmonds 로부터의 종래의 노치 간섭 필터는 오직 대략 90%의 투과율을 가진다. 대조적으로, 도 19 (모델) 및 약간은 놀랍게, 도 20 (실험) 양자에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 교시에 따라 형성된 간섭 필터들의 투과율은 1 나노미터보다 작은 FWHM 을 가진 99% 를 초과하며, 그것은 많은 에플리케이션들에 대해서 공동 내부 레이저가 요구하는 것이다.
박막 간섭 필터 (1610) 는, 바람직하게는 이득 영역으로의 피드백을 피하기 위한 각도에서, 외부 공동에 위치된다. 따라서, 그러한 필터는 레이저 이득 칩과 결합된 Febry-Perot 에탈론 및 종래의 코팅된 고체 에탈론 양자에 유사한 기능을 하며, 두가지 경우의 장점을 결합한다. 주파수 더블링 (또는, 일반적으로는 비선형 주파수 변환) 를 위해서 적절하게 선택된, 비선형 크리스탈 (1615) 는 또한 출력 커플러 (1620) 에 의해서 완결된 연장 공동내에 또한 위치된다. 출력 커 플러 코팅은 기본 파장 (간섭 필터의 설계 파장) 에서 매우 반사적며 주파수 변환된 파장에서 매우 투과적이 되도록 우선적으로 선택된다. 출력 커플러 (1620) 의 공동 길이, 크리스탈 길이, 및 곡률은 레이저 설계 분야에서 공지된 바와 같이 설계 목적으로 적절하게 최적화된다. 바람직한 실시형태에서, 비선형 크리스탈은 주기적 극성인 KTP, LiNbO3 또는 LiTaO3 와 같은, 주기적 극성인 비선형 크리스탈이다. 그러한 크리스탈을 사용하는 장점은 높은 비선형성을 가지며 선택한 파장의 비선형 주파수 변환을 위해서 가공될 수 있다는 점이다.
박막 간섭 필터 (1610) 에 의한 기능은 레이저 발광을 희망된 대역폭을 좁히는 것이다. 수단 (instrumentation) 에플리케이션에서 요구되는 것과 같은, 몇몇 경우에서, 필터의 대역폭은 레이저의 단일 종축 모드 동작을 보장할만큼 좁아야 한다. 이것은 또한 안정한, 저-노이즈 레이저 동작을 보장할 것이며, 적절하게 조정될 때, 비선형 변환 대역폭의 피크에서 발광을 제약할 것이다. 다른 경우에서, 박막 간섭 필터의 대역폭은 레이저가 희망된 주파수 범위를 달성하기 위해서 하나 이상의 종축 모드에서 동작할 수 있도록 더 넓게 설계될 수도 있다. 하지만, 비선형 크리스탈 (1615) 의 비선형 변환 대역폭 내에서 이러한 모드들을 제약하는 것이 여전히 바람직하다.
비선형 크리스탈 (1615) 은 본 명세서에서 참조 문헌으로써 포함된, A. V. Shchegrov, A. Umbrasas, J. P. Watson, 및 D. Lee 에 의한, 미국 특허 출원 번호 제 10/734,553 호, "Polarization control of an extended cavity laser" 에서 설 명된 표면 발광 레이저의 편광을 제어하도록 사용될 수도 있다.
또한, 콤팩트를 향상시키고 레이저의 비용을 감소시키기 위해서, 비선형 크리스탈 (1615) 의 크리스탈 면들 중 하나 상에 박막 간섭 필터 (1610) 를 증착하고 일 유닛에 두개의 엘리먼트들을 결합하는 것이 바람직하다. 그러한 배열이 본 발명의 다른 실시형태이다.
간섭 필터 (1610) 의 설계의 한가지 중요한 양태는 설계가 표면 발광 레이저 칩 (1605) 의 파장 제어 엘리먼트에 광학적으로 유사할 수 있다는 것이다. 예를 들면, 표면 발광 레이저 칩내의 레이어들의 광학 두께는 기본 주파수 부근에서 잘 규정된 공진을 가진 박막 간섭 필터 설계를 설계할 때의 개시 지점으로 사용될 수 있다. 광학 분야에서 공지된 바와 같이, 레이어의 광학 두께는 광학 파장에 의존하며, 광학 파장은 순서대로 광이 통과하는 매개체의 굴절률 및 광의 주파수의 함수이다. 표면 발광 이득 엘리먼트 (1605) 는 기본 주파수에서 공진 응답을 생성하기 위해서 통상적으로 설계된 브래그 반사기들 (1601 및 1603) 을 가진다. 공진 응답은 또한 관련 대역폭을 가질 것이다. 표면 발광 이득 엘리먼트의 설계 (예를 들면, 브래그 스택들내의 레이어들의 개수) 는 연장 공동내의 높은 광학 전력을 달성하는 것 및 이득 엘리먼트 내의 물질 손실을 감소시키는 것과 같은 다른 설계 고려사항에 의해서 부분적으로 제약된다. 상술한 바와 같이, 표면 발광 칩 그자체는 일정 단계의 주파수 제어를 제공하지만 주파수를 충분히 좁은 대역폭으로 맞추는 것은 주파수 변환을 위한 외부 공동내에 사용가능한 전력의 손실을 이끌 수도 있다. 일 실시형태에서, 간섭 필터의 설계는 (박막 구현으로 변환 된) 표면 발광 레이저 칩의 설계에 기초하며, 희망된 주파수 선택을 생성하도록 맞추어지며, 고 피크 투과를 가진 공동 내부 스펙트럼 필터로써 구현된다. 명백하게, 간섭 필터와 레이저 칩 사이의 여러 중요한 차이가 존재한다. 한가지 차이는 간섭 필터내의 이득 (활성) 레이어의 부재에 있다. 다른 차이점은 레이저 칩 구조가 통상적으로 GaAs, AlAs, GaAlAs 같은 혼합물등과 같은 반도체 물질들에 기초한다. 이것은 이득 레이어들 (양자 우물들) 을 병합하고, 레이저 동작동안에 압력하에서 신뢰성있게 수행할 수 있는 고품질구조를 생성하기 위해서 행해진다. 간섭 필터에 대해서, 압력들은 이것이 활성 엘리먼트가 아니기 때문에 훨씬 덜 심각하다. 대신에, 주 설계 목적은 낮은 손실들 및 일정한 스펙트럼 대역폭이다. 이것이 박막 간섭 필터가 바람직하게는 유전체 코팅 레이어들로 제조되며, 바람직하게는 이온 빔 스퍼터링 (IBS) 방법으로 증착되는 이유이다. 이것은 가능한 최저 손실을 보장하기 위해서 행해진다.
도 21 은 박막 간섭 필터 (1610) 가 공통 칩 또는 기판 상에 형성된 이득 엘리먼트들의 표면 발광, 연장 공동 레이저 어레이의 주파수 제어를 제공하기 위해서 사용되는 실시형태를 도시한다. 렌즈 어레이는 표면 발광 레이저 (2105) 와 통합되어 각각의 발광기의 공간 모드를 제어할 수도 있다. 선택적으로, 열적 렌징은 각각의 발광기의 공동 공간 모드를 제어하기 위해서 사용될 수도 있다. 도 21 에 도시된 바와 같이, 도 21 에 도시된 컴포넌트들은 바람직하게는, 이하에서 보다 상세히 설명되듯이, 몇몇 중요한 배열을 가진 저비용 어셈블리를 용이하게 하는, 모두 평면 표면을 가진 세그먼트들이다. 레이저 칩과 통합된 부분적 반 사적 미러가 존재할 수도 존재하지 않을 수도 있다. 미러가 존재할 때, 그 주요 기능은 레이저 자체와 높은 반사성 미러들 사이에 Febry-Perot 에탈론을 성립시키지만 외부 공동내의 손실들, 예를 들면 미러들 및 이득 레이어들 모두가 쌓여지는 기판에서의 손실로부터 이득 매개체를 분리하는 것에 의한 레이저에 대한 주파수 선택성에 있지 않다. 렌즈 또는 렌즈들은 칩과 통합되거나 연장 공동내에서 분리되어 위치될 수도 있다. 칩에 통합되었을 때, 렌즈는 이득 영역 또는 예를 들면 칩 표면에 에칭된 정지 렌즈에서 생성된 열에 의해서 발생된 열적 렌즈일 수도 있다. 그러한 렌즈는 레이저의 공간 고유 모드를 안정화시키는 것을 도울 수도 있으며 단순성 및/또는 비용적 이유로 평면 출력 커플러를 가진 외부 공동을 설계하기를 원할 때 특히 바람직하다.
어레이 실시형태에 대해서, 출력 커플러 (1620) 는 바람직하게는 평면이며 그것은 레이저 어레이내의 모든 발광기들에 공통이다. 하지만, 각각의 개별적 발광기에 대한 굽어진 출력 커플러들을 형성하는 마이크로-미러들의 어레이를 사용하는 것이 또한 가능하다. 동일한 비선형 크리스탈 (1615) 은 제 2 하모닉 (기본 파장의 1/2) 과 같은, 다른 파장으로 기본 파장을 변환하는 데 사용될 수도 있다.
저비용 어레이 어셈블리에서, 간섭 필터는 개별적 엘리먼트로서 사용되거나 또는 어셈블리된 레이저에 대해서 광학적으로 정렬되어야 하는 컴포넌트들의 개수를 감소시키기 위해서 비선형 크리스탈 (1615) 과 같은, 다른 컴포넌트들에 부착될 수도 있다. 선택적으로, 간섭 필터는 또한 출력 미러 (1620) 의 표면들 중 하 나와 결합될 수도 있지만, 이 경우에서, 출력 미러 엘리먼트를 웨징하고 필터 코팅에 대해서 내부 (공동 내부) 표면 및 고 반사 미러 코팅에 대한 외부 면을 사용하는 것이 바람직하다.
간섭 필터가 오직 스펙트럼 필터로써 사용될 수 있는 반면에, 보다 일반적으로는, 간섭 필터는 다른 스펙트럼 필터링 엘리먼트들과 결합되어 레이저의 파장을 제어할 수 있을 수도 있다. 일 예시로써, 간섭 필터는 연장 공동의 앤드 미러의 웨징된 표면 상에서 부착되고, 본딩되거나 증착될 수도 있다.
B. 주파수 제어를 위한 볼륨 브래그 그래이팅
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 볼륨 브래그 그래이팅은 내부 주파수 더블링을 가진 VECSEL 에 대한 스펙트럼 필터로써 사용된다. 상술한 바와 같이, 공동 내부 주파수 더블링을 가진 VECSEL들은 높은 변환 효율에 대한 여러 요구사항을 가진다. 먼저, 파장은 공진 응답이 대략 1 나노미터 미만의 FWHM 을 가지도록, 비선형 크리스탈의 최적의 대역폭, 통상적으로 대략 1 나노미터 이하 내로 고정되어야 한다. 두번째로, 스펙트럼 필터는 바람직하게는 반도체 이득 매체의 대역폭 내의 어떠한 제 2 피크들도 가지지 않으며, 즉, 10 나노미터 범위와 같은, 수 나노미터의 파장 범위에 대해서 단일 공진 피크가 존재한다. 세번째로, 기본 파장에서 스펙트럼 필터에 의해서 야기된 전체 광학 손실은 바람직하게는 대략 1 % 미만이다. 본 발명의 일 실시형태에서, VBG들은 공동 내부 주파수 더블링을 가진 표면 발광 레이저 어레이의 주파수 제어에 대해서 사용된다.
볼륨 브래그 그래이팅 (VBG들) 은 그 안에 쓰여진 주기적 굴절률 변화를 가 진 특정 유리로 만들어진 파장 선택성 엘리먼트이다. 그러한 굴절률 변화는 설계에 의해서 선택된 윈도우에서 레이저의 스펙트럼을 생산하기 위해서 설계될 수 있다. 브래그 그래이팅들은 전기통신 파장들 (예를 들면, 1.55 미크론) 에서 전기통신 레이저 설계 에플리케이션들에서 수년 동안 공지되어온 반면에, 그 볼륨 카운터파트 (VBG) 은 오직 최근에 상업적으로 사용가능해졌다. 그러한 그래이팅 엘리먼트들의 제조 상세 및 특징들은, O. M. Efimov, L. B. Glebov, V.L. Smirnov, 및 L. Glebova 에 의한, 미국 특허 번호 제 6,586,141 호 "Process for production of high efficiency volume diffractive elements in photo-thermal refractive glass" 및 O. M. Efimov, L. B. Glebov, 및 V. L. Smirnov 에 의한, 미국 특허 번호 제 6,673,497 호 "High efficiency volume diffractive elements in photo-thermal refractive glass" 에서 설명된다. 유사한 홀로그래픽 엘리먼트들이 최근에 제조되었고 매체 저장 기술들에서 (예를 들면, Inphase Technologies 에 의해서) 사용되었고 다음 설명에서 용어 볼륨 브래그 그래이팅 (VBG : volume Bragg grating) 을 사용하는 동안에, 그러한 홀로그래픽 그래이팅 엘리먼트들을 사용하는 것 또한 본 발명의 범위 내에 있는 것을 가정된다. 최근에, 에지-발광 레이저들 및 레이저 어레이들의 주파수 안정화를 위한 VBG들을 사용하는 방법이 설명되었다 (G. Venus, V. Smirnov, L. Glebov의 Proceedings of Solid State 및 Diode Laser Technology Review, Albuquerque, NM, June 2004, "Spectral Stabilization of Laser Diodes by External Bragg Resonator", 및 B. L. Volodin, V. S. Ban의 미국 특허 출원 번호 제 10/884,524 호, "Use of volume Bragg gratings for the conditioning of laser emission chracteristics").
볼륨 브래그 그래이팅 엘리먼트들은 Optigrate (Orlando, FL), PD-LD (Pennington, NJ) 및 Ondax (Monrovia, CA) 로부터 현재 상업적으로 사용가능하다. 실험적 연구들은 상업적으로 사용가능한 VBG들이 비선형 주파수 변환을 가진 수직 공동 표면 발광 레이저를 주파수 안정화시키는 데 적합한 지를 결정하도록 수행되었다.
본 특허 출원의 발명자에 의한 실험적 연구들은 FWHM 의 결합 및 공동 내부 주파수 변환을 가진 VECSEL들에 유용한 낮은 손실들을 가져서 적외선 기본 펌프 파장으로부터 녹색 및 청색 광을 발생시키도록 설계될 수 있음을 보여준다.
도 22 는 파장에 따른 상업적으로 사용가능한 VBG 의 반사율의 그래프이다. 반사율 측정은 976 nm의 타깃 파장에서 설계된 VBG 상의 조정가능한 레이저로 수행되었다. 실험적 결과들은 1 nm 미만의 FWHM, 예를 들면, 0.6nm 를 보여준다. 굴절률은 99% 를 초과한다. 실험적 굴절률이 FWHM의 외부의 사소한 비균일물들을 갖지만, 굴절률은 FWHM 을 넘어서는 어떠한 주변 (satellite) 피크도 갖지 않으면서 FWHM 에서 빠르게 떨어진다. 따라서, 실험적 결과는 10 나노미터의 파장 범위에 대해서 이득을 얻을 수 있는, 종래의 반도체 이득 물질의 파장 범위 내에 오직 하나의 우세한 피크가 존재하는 것을 보여준다. 따라서, 실험적 결과는 공동 내부 주파수 더블링을 가진 VECSEL에 적합한 특성들의 결합을 가진 VBG 가 설계될 수 있다는 것을 보여준다.
도 23 은 표면 발광 레이저를 주파수 안정화시키기 위해서 VBG (2310) 을 사 용하는 공동 내부 주파수 변환 (예를 들면, 주파수 더블링) 를 가진 VECSEL 의 일 실시형태를 도시한다. VBG (2310) 은 또한 출력 커플러의 반사기 엘리먼트로써 기능을 하고, 그것에 의해서 연장 공동을 규정한다. 반도체 레이저 이득 엘리먼트 (1605) 및 비선형 크리스탈 (1615) 은 도 16 에서 상기 도시된 실시형태에서 설명된다.
편광 제어 엘리먼트가 바람직하게는 포함된다. 일 실시형태에서, 편광 빔 스플릿터 (2320) 는 편광 제어 기능을 제공하고 또한 공동의 외부의 (라인 (2360) 에 의해서 가상라인으로 도시된) 후방 전파 주파수 변환된 빔을 리디렉팅하도록 사용된다. 이러한 함수들을 수행하기 위해서, 편광 빔 스플릿터 (2320) 의 두 면들은 기본 레이저 파장에서 희망된 편광에 대한 높은 투과율을 제공하기 위해서 코팅되고 면들 중 한 면은 주파수 변환된 파장에서 높은 반사를 위해서 코팅된다. 다른 실시형태에서, 편광은 A. V. Shchegrov, A. Umbrasas, J. P. Watson, 및 D. Lee 에 의한, 미국 특허 출원 번호 제 10/734,553 호 "Polarization control of an extended cavity laser" 에서 설명된 비선형 크리스탈의 복굴절에 의해서 제어된다.
몇몇 에플리케이션에서, 920 nm, 976 nm, 1064 nm 또는 1260 nm 와 같은, 기본 설계 파장에서 최고의 반사율을 위한 VBG (2310) 을 설계하는 것이 바람직할 수도 있다. 그 후, VBG 의 양쪽 면들은 기본 파장 및 주파수 변환된 파장 양자 모두에서, 예를 들면, 460 nm, 488 nm, 532 nm 또는 630 nm 에서, 반반사 코팅으로 코팅될 수 있다. 다른 경우에서, 스펙트럼 대역폭 타깃을 달성하고 몇몇 최대 반사율을 버리기 위해서 주로 VBG 를 설계하는 것이 의미가 있을 수도 있다. 고 효율 공동 내부 비선형 변환을 획득하기 위해서, VBG 는 기본 파장에서 높은 반사성 코팅 (2340) 에 의해서 코팅되어 공동을 "클로징" 하고 공동 내부 순환 전력을 최대화시킬 수도 있다. 코팅 (2340) 은 또한 주파수 변환된 파장에서 (예를 들면, 주파수 더블링을 위한 제 2 하모닉에서) 반반사적이 되어서 볼륨 브래그 그래이팅 (2310) 으로부터 주파수 변환된 광을 커플링하도록 설계될 수도 있다. 이것은 VBG 를 향한 순방향으로 비선형 크리스탈 (1615) 을 통과하는 각각의 기본 빔의 패스가 VBG 를 통과하는 공동을 남길 수도 있는 주파수 변환된 광을 초래하며, 그에 반하여 VBG 로부터 연장 공동으로 재반사된 기본 파장에서의 광은 편광 빔 스플릿터 (2320) 에 의한 공동 외부에서 커플링된 결과적 주파수 변환된 광으로 비선형 크리스탈 (1615) 을 통과하는 역방향으로 진행하는 구조를 허용한다.
VBG 의 스펙트럼 특성들은 특정 에플리케이션들에 대해서 맞추어질 수도 있다. 몇몇 경우에서, 고 성능, 수단-품질 레이저에 대해서 낮은 노이즈 단일 종축 모드 동작을 제공할 정도로 충분히 좁도록 VBG 의 대역폭을 설계하는 것이 바람직하다. 다른 경우에서, 여러 종축 모드들을 허용하고, 예를 들면 비선형 변환 프로세스의 대역폭을 매칭하는 스펙트럼 대역폭 내에서 그것들을 제약하는 것이 바람직할 수도 있다.
도 24 는 표면 발광 어레이에 대해서 스펙트럼 필터링 및 광학 피드백을 제공하는 데 사용된다. 표면 발광 연장 공동 레이저 어레이의 주파수 안정화를 위해서 VBG 를 사용하는 것은 특히 장점이 있다. 단일 VBG 엘리먼트 (2340) 은 이득 엘리먼트 (2105) 의 전체 레이저 어레이를 주파수 안정화하는 데 사용되며 단일 비선형 크리스탈 (1615) 은 어레이 내에서 모든 표면 발광기들을 주파수 더블링하는 데 사용된다. 단일 빔 스플릿터 (2320) 는 편광을 규정하기 위해서 및, 희망된다면 공동으로부터 주파수 변환된 후방 전파 어레이를 추출하기 위해서 사용된다. 순방향-전파 주파수 변환된 빔들의 어레이는 VBG 를 통하여 추출될 수도 있다. 본 발명의 범위 내에 또한 있는, 다른 경우에서, 순방향 및 역방향 전파 빔들은 주파수 변환된 광에 대해서 높은 반사성인 이색성 코팅이 비선형 크리스탈, VBG 또는 반도체 레이저 칩의 적절한 표면에 위치되면 동일한 방향으로 모아질 수도 있다. 적절한 광학 표면의 틸트를 사용하는 것 또는 그상에 웨지를 위치시키는 것에 의해서 각각의 발광기에 대한 두개의 주파수 변환된 빔들 (순방향 및 역방향) 로 공간적으로 분리시키는 것이 바람직하다.
많은 에플리케이션에서, 비선형 변환을 최대화시키고 비용을 최소화시키기 위해서 실질적으로 동일한 주파수에서 모든 어레이 엘리먼트들을 동작시키는 것이 바람직하다. 하지만, 몇몇 경우에서, 약간 상이한 주파수들로 상이한 발광기들을 운영하는 것이 바람직할 수도 있다. 이것은 상이한 엘리먼트들 사이에서 혼선을 감소시키는 것 및 전체 레이저 어레이 소스의 간섭을 감소시키는 것을 도울 수 있으며, 그것은 그러한 소스로부터의 스페클을 감소시키는 것을 도울 수 있다.
종래의 VBG 에플리케이션들은 통상적으로 단일 파장이다. 하지만, 본 발명에서 VBG 는 바람직하게는 시스템이 기본 (펌프) 파장 및 주파수 변환된 파장 (예를 들면, 제 2 하모닉 파장) 을 포함하는 것을 고려하도록 수정된다. 일 양 태는 상술한 바와 같이, VBG 상의 광학 코팅의 적절한 설계이다. 추가적으로, VBG 에 대한 본 발명의 바람직한 설계는 이색성이며, 즉, VBG 는 기본 레이저 파장에서 좁은 스펙트럼 표지 반사율 및 제 2 하모닉에서 비-공진 고 투과율을 가져야 한다. 일 실시형태에서, VBG 의 이색성 특성은 이론적 및/또는 실험적 모델링에 의해서 최적화된다. 예를 들면, 몇몇 상이한 VBG 그래이팅 특성들 및 구성들은 기본 파장 및 제 2 하모닉 파장의 특정 선택에 대해서 테스트되어 특정 에플리케이션에 대해서 VBG 의 이색성 특성을 최적화시킬 수도 있다. 실험적 테스팅이 수행되었으며 비선형 주파수 변환을 가진 표면 발광 레이저의 주파수 안정화를 위한 적절한 이색성 특성을 가지도록 최적화될 수 있음을 보여준다.
몇몇 실시형태에서, VBG 및 비선형 크리스탈을 모놀리식으로 본딩하는 것이 바람직할 수도 있다. 보통, 이것은, VGB들이 통상적으로 대략 0.01 nm/℃ 의 스펙트럼 조정을 가진 그 반사 스펙트럼의 매우 높은 온도 안정성을 가지기 때문에 비선형 크리스탈의 위상-매칭 또는 유사-위상-매칭 (quasi-phase-matching) 열적 조정에 영향을 주지 않을 것이다.
상기 설명된 레이저 설계들은 동작의 임의의 특정 모드에 제한되지 않으며 연속파 또는 펄스화, 예를 들면 전기적 펌핑된 반도체 표면 발광기의 직류 펄싱에 의해서 펄스화될 수도 있다. 또한, 본 발명에서 설명된 표면 발광 레이저들은 적절한 흡수기 엘리먼트를 사용해서 고정된 모드일 수도 있다 (예를 들면, K. Jasim, Q.Zhang, A. V. Nurmikko, A. Mooradian, G. Carey, W. Ha 및 E. Ippen 에 의한, "Passively modelocked vertical extended cavity surface emitting diode laser", Electronics Letters, V.39, p.373 (2003) 을 참조한다). 이 경우에, 박막 간섭 필터 또는 VBG 는 발광기 당 스페클 감소를 최적화하기 위해서 비선형 크리스탈의 스펙트럼 위상-매칭 대역폭을 최적으로 매칭하기 위해서 모드 고정된 출력의 스펙트럼 폭을 제어하도록 설계될 수 있다. 상기 설명된 모든 설계들은 1 차 및 2 차 양자 모두의 어레이 구조에 크기 조정가능하며 설계들은 단일 발광기 레이저들에 동일하게 적용될 수 있다. 마지막으로, 본 발명에서 설명된 방법에 의해서 주파수 안정화된 표면 발광 레이저들 및 레이저 어레이는 전기적으로 또는 광학적으로 펌핑될 수도 있다.
본 발명의 주요 에플리케이션 실시형태들 중 하나에서, 표면 발광 이득 엘리먼트들은 프로젝션 디스플레이 에플리케이션에서 관심있는 파장의 2 배, 즉, ~635 nm (적색), ~532 nm (녹색), 및 ~460 nm (청색) 인 RGB 파장들 주변에서 설계된다.
본 발명의 다른 실시형태는 비싼 활성 온도 제어 (예를 들면, 열전기 냉각기에 의한 온도 제어) 없이 주변 온도의 연장된 범위에서 레이저들이 동작하도록 주파수 더블된 레이저들 또는 레이저 어레이들의 주파수 안정화이다. PDA들, 레이저 포인터들 등과 같은 휴대용 디바이스들을 포함하는, 많은 에플리케이션들에서, 예를 들면 -10℃ 내지 50℃ 의 넓은 범위의 주변 온도에서의 동작을 위해서 에플리케이션들을 설계하는 것이 바람직하다. 종래의 해결방법들은 예를 들면 열전기 냉각기에 의해서 레이저 및 중요 컴포넌트들의 활성 온도 제어를 요구할 것이다. 본 발명은 전에 상술한, 볼륨 브래그 그래이팅들은 통상적으로, 0.01 nm/℃ 이하에서 조정되면서, 매우 온도 안정한 엘리먼트들이라는 사실을 이용할 수 있 으며, 또한 온도 비민감성을 위해서 더욱 설계될 수 있다. 이것은 희망된 값에서 레이저의 파장을 고정하는 것을 허용하며 비선형 크리스탈은 패키지에서 설계된 비싸지 않은 히터 엘리먼트에 의해서 고정된 레이저 파장으로 조정될 수 있다. 이 해결방법은, 상이한 수단에 의해서 펌핑될 수도 있는, 표면 발광 및 에지 발광 반도체 레이저들 및 고체 상태 레이저들을 포함하는 상이한 타입의 레이저들 또는 레이저 어레이 상에서 사용될 수도 있다.
주파수-안정화된 레이저들 또는 레이저 어레이들이 특히 유용할 수 있는, 여러 타입의 에플리케이션이 존재한다. 그 중에서, 프로젝션 디스플레이를 위한 가시광 레이저 또는 레이저 어레이 소스들같은 에플리케이션들, 유세포 분석기 (flow cytometry) 또는 공초점 현미경과 같은 단일 종축 모드 레이저들의 수단 에플리케이션이 존재한다.
Ⅳ. 매우 제조가능한, 콤팩트한 주파수 더블된 수직 연장 공동 표면 발광 레이저 어레이들
본 발명의 실시형태들은 크기조정 가능 및 저비용 플랫폼에서 가시광 레이저 어레이들을 구성하는 기술적 접근을 설명한다. 크기조정 가능성은 볼륨면에서, 웨이퍼 크기 제조성에서 크기 하락될 수 있는 각격 및 어레이의 출력 전력에 적용된다. 게다가, 본 기술적 접근은 유사한 방식으로 모든 희망된 가시광 컬러들을 획득하고 그러한 RGB 레이저 어레이들을 제조할 때 비용 감소를 초래하는 것을 허용한다.
본 발명의 일 실시형태는 주파수 더블된 수직 연장 공동 표면 발광 레이저들 (VECSEL) 의 주파수 더블된 어레이들에 대한 저비용, 높은 제조가능한 설계들을 설명한다. VECSEL 시스템에서, 레이저 공동은 표면 발광 이득 엘리먼트의 어레이가 형성되는 표면 발광 레이저 칩 및 앤드 미러에 의해서 규정된다. 레이저 칩은 적어도 하나의 한층한층 쌓여진 미러 및 이득 영역을 가진다. 바람직한 실시형태에서, 이득 영역은 하나 또는 여러개의 양자 우물들을 포함한다.
도 25 는 VECSEL 어레이의 주요 컴포넌트들을 도시하는 블록도를 도시한다. 표면 발광 레이저 이득 칩은 이득 엘리먼트 (2510) 의 어레이를 가진다. 편광 제어 엘리먼트 (2520) 은 편광을 제어하기 위해서 제공된다. 비선형 크리스탈 (2530) 은 주파수 더블링을 위해서 제공된다. 파장 제어 엘리먼트 (2540) 는 광학 피드백을 제공하고 연장 공동을 규정하기 위해서 포함된다. 엔드 미러 (2550) 는 광학적 피드백을 제공하고 연장 공동을 정의하기 위해서 포함된다. 마이크로 렌즈들 (2515) 또는 어퍼처들의 어레이 (2520) 과 같은, 작은 컴포넌트들이 또한 포함될 수도 있다.
레이저 어레이의 제조 비용은 컴포넌트 카운트 및 컴포넌트들을 정렬하고 패키징하는 비용에 의존한다. 최근, VECSEL 반도체 다이를 제조하는 비용이 감소되었고 패킹 밀도 (packing density) 들은 VECSEL 의 반도체 부분의 생장 및 제조가 개선됨에 따라 증가되었다. 발명자들에 의한 연구는 제조된 디바이스들의 정렬 및 패키징 비용은 지금 VECSEL 의 주요한 비용 요인임을 보여준다. 종래의 공동 설계는 개별적 레이저 엘리먼트의 주의깊은 기계적 또는 열적 정렬을 요구한다. 특히, 종래에 여러 크리티컬 (critical) 한 광학 정렬들이 요구된다. 크리티컬한 광학 정렬들은 높은 디바이스 효율성을 달성하기 위해서 섬세한 정렬을 요구하며 통상적으로 또한 레이저의 존속기간에 대해서 크리티컬한 광학 정렬을 유지하기 위해서 패키징 설비의 주의깊은 설계를 요구한다. 대조적으로, 본 발명의 저비용 설계 실시형태에서, 어레이의 각각의 개별적 발광기를 정렬할 필요를 제거하지만 대신하여 모든 어레이 엘리먼트들을 한번에 정렬하여 한번에 모든 어레이 발광기들 상에서 이득 및 비선형 변환을 최대화하는데 목표를 둔다.
일 양태는 다수의 발광기들 (이득 엘리먼트들) 은 단일 다이상에서 정렬되며 동일한 열 싱크 (sink) 에 부착되며 단일 제조 단계로 전기적으로 배선될 수 있다. 공통 다이 상에 형성된 표면 발광 레이저들의 어레이를 활용하는 것에 의해서, 많은 레이저들이, 제조가능성을 향상시키면서 한번에 정렬되고 패키징될 수 있다. 어레이 접근을 사용하는 다른 장점은, 어레이가 종래의 레이저들의 단일 지점 고장의 단점을 가지지 않기 때문에, 증가된 신뢰도에 있다. 가능한 전력 저하 또는 몇몇 어레이 엘리먼트의 완벽한 장애는 전체 광원의 회복 불가능한 저하를 야기하지 않을 것이며 종래의 레이저 시스템 상에서 가능하지 않는 방식으로 보상될 수 있다. 또한, 비선형 광학 엘리먼트들의 신뢰도는, 비교할만한 전력의 단일 발광기 레이저에 있을 수 있기 때문에 전력 밀도가 매우 높지 않을 때, 크게 증가된다. 대신에, 각각의 발광기에 대한 전력 밀도들은 합당하게 낮은 레벨에서 유지될 수 있다.
일 실시형태에서, 앤드 미러는 앤드 미러와 표면 발광 레이저 어레이 칩 사이에 단순한 정렬 프로세스를 용이하게 하기 위해서 평면 패싯 (facet) 을 가진 단 면이다. 광학 설계는 따라서 평면 앤드 미러들을 설명하는 설계이다. 예를 들면, 마이크로 렌즈들의 어레이는 모드 웨이스트를 규정하기 위해서 포함될 수도 있다. 다른 주요 광학 컴포넌트들은 또한 광학 정렬을 용이하게 하기 위해서 평면 패시들을 가진 세그먼트들로 구현될 수도 있다.
본 발명의 다른 양태는 도 25 에서 두개 이상의 컴포넌트들이 (예를 들면, 두개 이상의 컴포넌트들을 하나의 유닛을 모놀리식으로 본딩하는 것에 의해서) 하나의 광학 어셈블리로 결합되어 정렬 복잡성을 감소시킬 수도 있다. 몇몇 경우에서, 개별적 컴포넌트들은 다수의 기능들을 제공한다. 다른 경우들에서, 개별적 컴포넌트들은 서로 부착되는 컴포넌트들의 더 큰 광학적 어셈블리로 형성되며, 그것은 서로 부착될 수 있는 실질적으로 평면 표면을 가진 컴포넌트들을 설계하는 것에 의해서 용이해진다. 도 26 을 참조할 때, 파장 제어 엘리먼트 및 앤드 미러의 기능은, 예를 들면, 광학 피드백 및 주파수 제어를 제공하기 위해서 볼륨 브래그 그래이팅을 활용하는 것에 의해서 하나의 유닛으로 결합될 수도 있다. 도 27 을 참조할 때, 비선형 크리스탈, 파장 제어 엘리먼트, 및 앤드 미러의 기능은 예를 들면 볼륨 브래그 그래이팅에 비선형 크리스탈을 부착시키는 것에 의해서 결합될 수 있다. 도 28 에 도시된 바와 같이, 편광 제어 엘리먼트, 비선형 크리스탈, 파장 제어 엘리먼트, 및 앤드 미러의 기능은, 예를 들면, 편광 제어 엘리먼트를 순서대로 볼륨 브래그 그래이팅에 설치되는 비선형 크리스탈에 부착하는 것에 의해서 결합될 수도 있다. 도 29 에 도시된 바와 같이, 미러 광학 컴포넌트들의 기능은 또한 다른 기능 블록을 결합될 수도 있다. 예를 들면, 마이크로 렌 즈들의 어레이는, 레이저 공동의 공간 모드를 최적화하는 것을 돕고/돕거나 광을 비선형 크리스탈에 포커싱시키는 돔 렌즈들의 어레이와 같은 표면 발광 레이저 어레이 칩에 부착될 수도 있다. 다른 예로써, 돔의 어레이는 또한 기본 파장에서 투과적이며 제 2 하모닉에서 매우 반사적이 되어서 제 2 하모닉에서의 광이 확장되고 순반향 전파 제 2 하모닉 빔의 공간 중첩을 감소시키도록 더 코팅될 수도 있다. 다른 예로써, 어퍼처들의 어레이는 표면 발광 레이저 어레이 칩으로 리소그래픽하게 통합될 수 있다. 결과적으로 안정한 광학 정렬에서 정렬되고 패키징되어야 하는 광학 컴포넌트들의 개수는 감소된다.
상술한 장점을 현실화시키는 것은 많은 혁신적 설계 단계들을 요구한다. 이 단계들은 볼륨 브래그 그래이팅 (아주 최근에 상용화된 새로운 엘리먼트) 을 사용하는 것, 단순하고 제조가능한 공동 설계를 가진 비선형 주파수 변환 프로세스를 최대화하기 위한 어레이의 펄싱을 사용하는것, 특별하게 설계된 박막 간섭 필터들을 사용하는 것 등을 포함하지만 그에 국한되지는 않는다.
도 30 및 도 31 은 두개의 주요한 바람직한 공동 레이아웃 실시형태들을 도시한다. 하지만, 공동을 접는 것, 모드 제어를 위해서 렌즈 및 어퍼처 어레이를 추가하는 것 및 설계를 크기조정 가능하게 유지하는 다른 레이저 설계 옵션을 사용하는 것과 같은 이러한 설계들의 연장 및 수정이 또한 본 발명의 범위 내에 존재한다. 도시된 모든 설계들은 어레이 실시형태들을 도시한다. 이러한 공동 설계들은 단일 발광기 구조, 1 차 어레이들 및 2 차 어레이들에 대해서 동일하게 사용될 수 있음이 내포된다.
도 30 에서 도시된 공동 설계는 전기적 펌핑된, 반도체, 표면 발광 레이저 어레이 (2105), 및 편광 빔 스플릿터 (2320), 비선형 크리스탈 (1615) 및 볼륨 브래그 그래이팅 (2340) 으로 구성된 연장 공동을 포함한다. 반도체 레이저 또는 레이저 어레이의 설계는 본 명세서에서 참조 문헌으로써 포함된, Mooradian 에 의한 특허들 ("High power laser devices", 미국 특허 번호 제 6,243,407 호; "Efficiency high power laser device" 미국 특허 번호 제 6,404,797 호; "High power laser" 미국 특허 번호 제 6,614,827 호; "Coupled cavity high power semiconductor laser" 미국 특허 번호 제 6,778,582 호) 에서 설명되었다. 렌즈 어레이는 칩과 통합될 수도 있고 또는 연장 공동에서 분리되어 위치될 수도 있다. 칩과 통합될 때, 렌즈는 이득 영역 또는, 예를 들면 칩 표면에 에칭된 정지 렌즈에서 생성된 열에 의해서 발생된 열적 렌즈일 수도 있다. 그러한 렌즈는 레이저의 공간 고유 모드를 안정화시키는 것을 도울 수 있고 단순성 및/또는 비용 문제를 위해서 평면 출력 커플러로 외부 공동을 설계하기 원할 때 특히 바람직하다. 명세서에서 상술했듯이, 표면 발광 어레이 구조의 고유한 양태는 그 크기조정 가능성에 있다-많은 발광기들이 동일한 열 싱크들 상에 설치될 수 있고 종래의 별개의 레이저 디바이들에 대해서 요구되는 많은 여분의 단계들 없이 제조될 수 있는 동일한 다이 상에 놓여질 수 있다. 이웃하는 표면 발광기들 사이의 피치는 열적 혼선을 최소화시키기 위해서 최적화된다. 대략 2.5 의 피치 및 이득 어퍼처 직경에 더 큰 비율이 최소 열적 혼선으로 도달될 수 있고 이것이 콤팩트한 패키지에서 많은 발광기들을 수용하는 패킹 밀도들을 제공할 수 있다는 것이 실험 적으로 및 시뮬레이션을 통해서 알려졌다. 예를 들면, 프로젝션 디스플레이 에플리케이션에 대한 3W 단일 컬러 레이저 소스에 대한 바람직한 설계가 대략 100-120 미크론 이득 직경의 20-30 발광기들을 가진 대략 1 mm × 7 mm 단면의 다이에 의해서 생성될 수 있다. 필요하면, 어레이 상의 발광기들의 배열은 열적 성능을 최적화하기 위해서 및 표면 발광 어레이 칩의 중심에서 발광기들의 가열을 감소시키기 위해서 (비-균일 피치를 가지고) 비-주기적이 되도록 선택될 수도 있다.
볼륨 브래그 그래이팅 (VBG) 은 그 안에 주기적 굴절률 변화를 가진 특정 유리로 만들어진 파장 선택성 엘리먼트이다. 그러한 인덱스 변화는 설계에 의해서 선택된 윈도우에서 레이저의 스펙트럼을 제어하는 것을 도울 수 있는 스펙트럼 면에서 좁은 높은 굴절률 엘리먼트를 생성하도록 설계될 수 있다. 섬유 브래그 그래이팅들이 전기통신 레이저 설계 에플리케이션들에서 수년 동안 알려진 반면에, 그 볼륨 카운터파트는 오직 최근에 상업적으로 사용가능해졌다. 그러한 그래이팅 엘리먼트들의 원리들은, O. M. Efimov, L. B. Glebov, V.L. Smirnov, 및 L. Glebova 에 의한, 미국 특허 번호 제 6,586,141 호 "Process for production of high efficiency volume diffractive elements in photo-thermal refractive glass" 및 O. M. Efimov, L. B. Glebov, 및 V. L. Smirnov 에 의한, 미국 특허 번호 제 6,673,497 호 "High efficiency volume diffractive elements in photo-thermal refractive glass" 에서 설명된다. 이전에, 에지 발광 레이저들 및 레이저 어레이들의 주파수 안정화를 위한 VBG를 사용하는 방법이 설명되었다 (G. Venus, V. Smirnov, L. Glebov의 Proceedings of Solid State 및 Diode Laser Technology Review, Albuquerque, NM, June 2004, "Spectral Stabilization of Laser Diodes by External Bragg Resonator", 및 B. L. Volodin, V. S. Ban의 미국 특허 출원 번호 제 10/884,524 호, "Use of volume Bragg gratings for the conditioning of laser emission chracteristics"). 현재 볼륨 브래그 그래이팅 엘리먼트들은 Optigrate (Orlando, FL), PD-LD (Pennington, NJ) 및 Ondax (Monrovia, CA) 로부터 현재 상업적으로 사용가능하다. 유사한 홀로그래픽 엘리먼트들은 또한 (예를 들면, Inphase Technologies 에 의한) 매체 저장 기술에서 사용되고 제조되었으며 다음 설명에서 용어 볼륨 브래그 그래이팅 (VBG : volume Bragg grating) 을 사용하는 동안에, 그러한 홀로그래픽 그래이팅 엘리먼트들을 사용하는 것 또한 본 발명의 범위 내에 있는 것을 가정된다.
바람직한 실시형태에서, 비선형 크리스탈은 주기적 극성인 KTP, LiNbO3 또는 LiTaO3 와 같은, 주기적 극성인 비선형 크리스탈이다. 그러한 크리스탈을 사용하는 장점은 높은 비선형성을 가지며 특선된 파장의 비선형 주파수 변환을 위해서 가공될 수 있다는 점이다. 유사하게, 표면 발광 반도체 레이저 칩 및 볼륨 브래그 그래이팅은 동일한 주파수 부근에서 설계될 수 있다. KTP, LiNbO3 또는 LiTaO3 와 같은 크리스탈들의 비주기적 (처핑된 (chirped)) 극성 (poling) 은 온도 및/또는 파장 공간에서 비선형 변환 대역폭을 확대한다. KTP, LBO 또는 KNbO3 등과 같은 종래의 벌크 비선형 물질들 및 다른 것들이 사용될 수도 있다. 몇몇 경우에서, 이러한 크리스탈들의 광학적으로 접촉된 어셈블리들을 만드는 것이 바람직하며, 예를 드면, 주기적 극성인 물질들의 두께는 광학적으로 2 개의 더 얇은 조각들을 접촉하는 것에 의해서 증가될 수도 있다.
마지막으로, 비선형 주파수 변환 (제 2 하모닉 생성) 프로세스를 효율적으로 만드는 레이저의 선형 편광을 규정하기 위해서, 공동은 편광 제어를 제공하는 엘리먼트를 필요로 한다. 도 30 에 도시된 편광 빔 스플릿터 엘리먼트 (2320) 는 편광 제어 기능을 제공하며 공동 외부의 후방 전파 주파수 변환된 빔을 리디렉팅하는 데 사용될 수도 있다. 이러한 기능들을 수행하기 위해서, 그러한 편광 빔 스플릿터의 두 면들은 식별되기 위해서 및 기본 레이저 파장에서 희망된 편광을 위한 높은 투과율을 제공하기 위해서 코팅될 필요가 있으며 면들 중 하나는 주파수 변환된 파장에서 높은 반사율로 코팅될 필요가 있다. 선택적으로, 편광은, 본 명세서에서 참조 문헌으로써 포함된, A. V. Shchegrov, A. Umbrasas, J. P. Watson, 및 D. Lee 에 의한, 미국 특허 출원 번호 제 10/734,553 호, "Polarization control of an extended cavity laser" 에서 설명된 비선형 크리스탈의 복굴절에 의해서 제어되도록 사용될 수도 있다.
도 30 에서 도시된 설계는 각각의 발광기에 대해서 순방향 및 역방향 전파 주파수 변환된 빔들 모두를 모으는 것을 허용한다. 터닝 미러 (3005) 는 동일한 방향으로 광을 조종하는 데 사용될 수도 있다.
예를 들면, 반도체 레이저 어레이는 1064 nm 주변의 파장에 대해서 설계될 수도 있으며 - 이 예시에서, 적층 (epitaxial) 구조는 GaAs 웨이퍼 상의 MOCVD 또 는 MBE 및 한층한층 쌓여진 미러들과 같은 기술들에 의해서 더해질 수 있으며 양자 우물은 1064 nm 를 목표로 한다. 볼륨 브래그 그래이팅은 비선형 물질의 위상 매칭 (또는 유사-위상-매칭) 대역폭 내에서 머물 정도로 충분히 좁은 스펙트럼 대역폭에서 1064 nm 에서 최대 반사를 제공하도록 설계될 수 있다. 비선형 물질은 1064 nm 에서 532 nm 로의 효율적 제 2 하모닉 생성을 제공하도록 적절하게 선택될 수 있다. 그러한 물질들의 예들은 PPKTP, (손상 쓰레쉬홀드를 증가시키기 위해서 MgO-도핑될 수 있는) PPLN, PPLT, KTP 등을 포함할 수 있다.
도 30 의 공동 설계는 두 방향으로 전파하는 제 2 하모닉 빔들을 생성하는 것을 초래할 것이다. 반도체 칩 또는 비선형 크리스탈 상에 이색성 코팅에 의해서 후방 전파 빔을 반사시키는 것에 의해서 이 빔들을 동일선 상에서 재결합하고 중첩하는 것이 가능한 반면에, 도 30 에 도시된 순방향 및 역방향 전파 빔들의 단순한 결합이 프로젝션 디스플레이 광원들과 같은 에플리케이션에서 가능할 수도 있다. 또한, 단순한 시스템은 빔 결합 방식에서 상쇄 간섭을 피하기 위해서 요구되는 복잡한 위상 제어를 피한다. 하지만, 적절한 이색성 코팅을, 바람직하게는 설계된 반사된 동위상 시프트로 설계하는 것에 의해서 순방향 및 역방향 전파 빔들을 중첩하는 것이 본 발명의 범위 내에 또한 존재한다. 순방향 및 역방향 전파 제 2 하모닉 빔들의 광학 경로는 간섭 효과를 감소시키기 위한 재결합 전에 충분히 길도록 선택될 수도 있다. 특히, 순방향 및 역방향 전파 빔들은 그 코히어런스 길이보다 더 긴 광 경로 길이를 지나간 후에 재결합될 수도 있다.
레이저 설계의 기술 분야에서 공지된 다른 방법은 제 2 하모닉 광 추출의 효 율성을 개선시키기 위해서 사용될 수도 있다. (미도시된) 이것을 하는 한가지 방법은 공동을 L-형상으로 접고 기본 및 제 2 하모닉 광을 그 순방향 경로 상으로 되돌리는 것이다. 그러한 설계는 또한 플랫폼에 크기조정 가능하며 또한 본 발명의 범위 내에 존재한다.
순방향 및 역방향 전파 빔들을 동일직선상에서 결합하는 것을 허용하는 또 다른 크기 조정 가능한 설계는 도 31 에서 도시된다. 여기에서, 모놀리식으로 본딩된 엘리먼트들 (3120) 의 바람직한 저비용 실시형태들이 도시되지만 분리된 광학 엘리먼트들을 가진 설계가 또한 허용된다. 오직 제 2 하모닉 빔들이 점선으로 도시된다. 순방향 전파 제 2 하모닉 빔들이 볼륨 브래그 그래이팅을 통해서 추출된다. 역방향 전파 제 2 하모닉 빔들은 (상쇄 간섭 및/또는 비위상 효과를 피하기 위해서) 90 도까지 회전된 그 편광을 가지며 그 후 볼륨 브래그 그래이팅으로 다시 반사된다.
도 31 에 도시된 실시형태는 제 2 하모닉 광의 편광을 회전하고 그후 파장판 또는 표면 발광 칩 상에 적절한 이색성 코팅에 의해서 반사시키기 위해서 (제 2 하모닉 파장을 위한) 1/4 파장판 (3105) 을 사용한다. 이것은 역방향 발생된 빔들이 직교 편광의 순방향 전파 제 2 하모닉 빔들과 재결합되는 것을 허용한다. 이러한 타입의 빔 결합은 빔들 사이의 잠재적으로 희망되지 않는 상쇄 간섭을 피하는 것을 돕는다. 이 실시형태에서, 제 2 하모닉 광의 편광들 모두는 결과적 레이저 광원으로부터 모아질 것이다. 제 2 하모닉에 대한 1/4 파장인 파장판은 기본 파장에서 레이저의 동작에 영향을 주지하기 위해서 기본 파장에 대한 1/2 파 장이 되도록 설계될 수도 있다. 이러한 타입의 파장판은 상업적으로 사용가능하다. 추가적으로, 서로에 대해서 90 도로 회전된 두 개의 동일한 파장판들 사이에서 이색성 코팅을 샌드위치하는 것이 가능하다. 그러한 시스템은 이색성 코팅의 반사된 광이, 예를 들면 90 도로 회전된 임의의 각도로 변화되는 것을 허용하는 동안에, 투과된 광이 편광에서 제로 변화를 수신하도록 허용한다. 이러한 설계의 다른 장점은 여러 엘리먼트들이 모놀리식으로 본딩될 수 있고 오직 두개의 서브 어셈블리들이 최적의 레이저 동작을 달성하기 위해서 기계적으로 정렬될 필요가 있다. 크리스탈에 의해서 최적의 비선형 변환을 달성하는 데 보통 필요한 열적 정렬과 관해서, 볼륨 브래그 그래이팅은 통상적으로 0.1 nm/℃ 이하의 조정 레이트를 가진 온도 변화에 대해서 매우 안정적이라는 사실에 의해서 용이해진다. 이것은 오직 비선형 크리스탈은, 예를 들면, 저비용 저항성 히터에 의해서, 최적의 변환을 달성하기 위해서 조정될 필요가 있으며, 다른 엘리먼트들은 유사한 활성 온도 제어를 요구하지 않는다. 도 3 에서 도시된, 바람직한 실시형태에서, 오직 하나의 엘리먼트는 전체 어레이에 대해서 정렬될 필요가 있다. 게다가, 이러한 타입의 공동 설계에 대한 정렬 허용 오차는 지나친 것은 아니다. 예를 들면, 발광기 당 대략 100 내지 120 미크론의 이득 직경에 대해서, 가시광 전력의 대략 5 % 내의 정렬 허용오차는 대략 1 밀리라디안의 틸트이다.
마지막으로, 도 30 및 31 설계 모두는 보다 콤팩트하며, 반도체 칩에서 열적 렌즈가 공동을 안정화시킬 때에 특히, 오직 수동 기계적 정렬 단계가 최적 레이저 동작을 달성하는 것이 필요할 수도 있다.
도 31 에서 도시된 실시형태는 개별적 편광 제어 엘리먼트를 요구한다. 도 30 에서 도시된 빔 스플릿터 방식을 사용하는 것이 가능하지만, 설계를 단순하게 유지하고 편광 제어 기능을 임의의 기존 광학 엘리먼트들 (표면 발광 어레이, 파장판, 크리스탈, 및 VBG) 로 통합하는 것이 바람직하다. 그것을 하는 바람직한 방식들 중 하나는 원하지 않는 편광을 차단하고 희망된 편광에 매우 낮은 손실을 제공하기 위해서 이러한 엘리먼트들 중 하나 상에 와이어-그리드 편광기 (wire-grid polarizer) 를 증착하는 것이다. 다시, 이러한 방식의 개념은 저비용, 높은 불륨 제조를 위해서 엘리먼트의 개수 및 정렬 단계를 감소시키는 것이다.
도 30 및 31 의 설계 모두 및 그 연장은 레이저 시스템의 저비용, 매우 제조가능한 플랫폼을 위해서 최적화된다. 하지만, 저비용 설계는 제 2 하모닉 변환 프로세스에서 희망된 전력 타깃 사양을 달성하는 것을 더욱 어렵게 만든다. 제 2 하모닉 프로세스의 효율성을 증가시키는 한가지 방식은 기본 파장의 빔들을 크리스탈에 위치된 작은 웨이스트를 가진 빔들로 포커싱하는 렌즈 어레이 또는 렌즈 어레이들을 가진 공동을 설계하는 것이다. 이러한 옵션은 본 발명의 범위 내에 있지만, 효율적 주파수 더블링을 가진 저비용 구조를 달성하기 위한 주요한 접근은 아니다. 제 2 하모닉 프로세스의 효율성을 개선하기 위한 바람직한 접근은 짧은 펄스들, 예를 들면, 충분히 큰 듀티 주기, 예를 들면 5-10% 를 가진 100ns로 표면 발광 전기적 펌핑된 레이저 어레이를 구동시켜서 기본 파장 공동 내부 빔들에서 피크 전력을 증가키고 제 2 하모닉 빔들에서 평균 전력을 증가시키는 것이다. 예를 들면 1 MHz 와 같은 높은 반복 레이트를 가진 펄스 동작은 연속파 동작과 같 은 많은 에플리케이션에 수용가능할 수도 있다. 예를 들면, 디스플레이 에플리케이션에서, 그러한 반복 레이트들은 펄스 동작으로 인간 눈에 의해서 인지되지 않을 것이며 따라서 그러한 펄스 소스들은 연속파 소스만큼 많이 수용가능하다. 또한, 펄스 동작이 디스플레이 시스템에 대해서 더 큰 유동성을 제공하기 때문에 더욱 바람직할 수 있다.
전기적 펌핑된, 주파수 변환된 레이저 어레이 소스들의 다른 장점은 전기적 구동을 변조하는 것에 의해서, 예를 들면, 25MHz 와 같은 높은 레이트에서 직접 변조될 수 있다는 점이다. 변조 성능들은 스캐닝 기초 레이저 프로젝션 디바이스등과 같은 그러한 에플리케이션에서 바람직할 수 있다.
본 발명의 범위 내에 있는 다른 설계는 볼륨 브래그 그래이팅과 다른 주파수 제어 엘리먼트들을 가진 레이저 어레이를 포함한다. 그러한 엘리먼트의 일 예시는 기본 설계 파장에서 공진 협대역 폭을 제공하는 설계일 수 있는, 박막 코팅 간섭 필터이다.
본 발명의 레이저 광원들의 실시형태들의 주요한 에플리케이션들 중 하나는 프로젝션 디스플레이이다. 이러한 에플리케이션들에 대해서, 가장 좋은 시야 경험을 위한 풀 컬러 공간을 달성하기 위해서 적색, 녹색, 및 청색 (RGB) 컬러들을 가지는 것이 바람직하다. 상술한 실시형태들은 임의의 컬러에 특정적이지 않으며 풀 RGB 레이저 어레이 광원을 설계하기 위해서 사용될 수 있으며, 그것은 본 발명의 일부분이다. 예를 들면, 반도체 이득 물질 및 미러 스택들은 1260 nm, 1064 nm 및 920 nm 부근에서 설계될 수 있으며, 리튬 리오베이트와 같은, 비선형 물질을 위한 광학 코팅들 및 적절한 극성 주기를 선택하는 것 및 이러한 파장들 부근에서 VBG들 및 빔 스플릿터들 또는 파장판들을 설계하는 것에 의해서, 630 nm (적색), 532 nm (녹색) 및 460 nm (청색) 의 레이저 어레이 광원을 획득한다.
각각의 컬러에서의 전력은 어레이에서 발광기의 개수의 단순한 상승에 의해서 크기조정될 수 있다. 몇몇 경우에서, 발광기들의 1 차 어레이를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 많은 주기적 극성인 비선형 크리스탈들은 상기 차원에 따라 발광기들의 다수의 열들을 맞게 하는 것을 어렵게 만들 수 있는 박막 섹션 ~0.5 mm 로 제조된다. 이 경우에, 단일 차원에서 발광기들의 개수를 크기 조정하는 것이 바람직할 수도 있다. 선택적으로, 2 차원 발광기 어레이가 사용될 수 있으며 비선형 물질의 두께를 증가시키는 것이 바람직하지 않을 때, 광학적으로 접촉된 얇은 크리스탈들의 서브어셈블리가 단일 크리스탈을 대신하여 사용될 수도 있다.
본 발명의 에플리케이션들은 프로젝션 디스플레이를 위한 광원들, 조명 에플리케이션, 자동차 라이팅, 및 다른 소비자 전자장치 에플리케이션을 포함한다. 예를 들면, 간섭 레이저 소스에 기초한 프로젝션 디스플레이 시스템은 스페클 효과로 어려워질 수도 있다. 하지만, 스페클 효과는 발광기들의 개수가 레이저 어레이에서 증가될 때 감소된다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시형태인, 다중 종축 모드 동작은 각각의 발광기의 간섭을 감소시키고, 그것에 의해서 스페클을 감소시킨다. 이러한 장점은 또한 레이저의 펄스 동작에 의해서 더욱 촉진된다. 또 다른 장점은, 하나의 발광기의 고장은 전체 광원의 고장을 의미하지 않기 때문 에 및 비선형 크리스탈 및 다른 광학 엘리먼트에서의 전력 밀도가 후방 프로젝션 디스플레이 텔레비젼에 대한 레이저 광원들에 대해서 희망되는 다중 와트 레벨에서 비교될만한 전력의 단일 발광 레이저에 있을 때 그렇게 높지 않기 때문에 그러한 어레이의 상승된 신뢰성에 있다.
이러한 설계들을 가진 레이저들은 저비용 패키징의 방법과 호환가능하다. 특히, 이러한 레이저들을 단순한 정렬로 콤팩트하게 만드는 것이 가능하다. 바람직한 실시형태에서, 특정 정렬이 레이저 어레이의 표면과 출력 미러의 표면 사이에 있으며, 양 면 모두가 평면이다. 레이저는 이러한 정렬의 허용오차가 수동적으로 만족될 수 있는 그러한 방식에서 설계되며, 또는 최소에서, 수동 정렬은, 그후 쉽게 최적화될 수 있는, 초기 레이징 (lasing) 을 달성하는 데 충분하다. 이것은 초기 동작을 찾을 필요성을 제거한다. 그러한 단순한 패키지는, 디스플레이 에플리케이션에 대한 레이저 시스템에서의 공간 감소를 제공하면서, 다중 컬러 패키지로 쉽게 병합될 수 있다. 그러한 패키지들의 예시는 도 32a, 도 32b 및 도 32c 에 도시된다. 도 32a 는 단일 어레이 (예를 들면, 하나의 컬러에 대한 광을 위한 어레이) 를 위한 패키지를 도시한다. 도 32b 는 라인 (3200) 을 따른 단면을 도시한다. 도 32c 는 적색, 녹색, 및 청색 광을 생성하기 위한 세트와 같은, 패키징된 어레이의 세트를 도시한다.
도 32a, 도 32b 및 도 32c 에 도시된 패키지에서, 전체 시스템에 이득을 주는 여러 엘리먼트가 존재한다. 먼저, 패키지는 활성 온도 안정화를 요구하지 않는다. 이것은 높은 열 도전성 및 레이저와 패키지의 기저 사이의 작은 거리 를 가진 패키지의 엔지니어링 뿐만 아니라 표면 발광 레이저의 엔지니어링을 통하여 달성된다. 두번째로, 정렬은 레이저 패키지의 고정밀 표준적 마크에 수동 정렬을 사용하면서 수행된다. 도 32a, 32b 및 32c 에서 도시된 시스템과 같은 시스템은 바람직하게는 현대적 CPU 칩들과 균등한 열 분해를 가지며, 이러한 CPU들에 대해서 설계된 효율적인, 저비용 냉각 해결방식 중 임의의 것이 그러한 레이저에 대해서 사용될 수 있다.
두번째로, 시스템은 최소 개수의 엘리먼트로 설계된다. 도 32a 및 32b 에 도시된 유닛들의 경우에, 오직 4 개의 개별적 엘리먼트들: 레이저, 편광기, 비선형 물질, 및 VBG 가 오직 존재한다. 또한, 오직 VBG 는 특정 정렬을 요구한다. 따라서 패키징 비용은 특정 정렬의 최소 개수 때문에 감소된다. 또한, 컴포넌트에서의 감소는 또한 유닛의 존속기간 동안에 광학 정렬을 유지하는 것을 용이하게 할 수 있다.
세번째로, 시스템은 콤팩트하게 설계된다. 일 실시형태에서,패키지는 1.5 인치 미만의 폭 및 2 인치 미만의 전체 볼륨을 가져서 패키지 레이저들은 다양한 프로젝션 디스플레이 시스템들에서 UHP 램프에 대한 대체로써 사용될 수도 있다. 이것은 엘리먼트의 개수를 제한하는 것, 및 높은 성능으로 인해서, 단일 레이저 대신에 단순한, 콤팩트한 공동들을 가진 레이저 어레이들을 사용하는 것에 의해서 가능해지며, 그것은 높은 성능 때문에 더 특징적 정렬을 요구하며 따라서 그러한 정렬을 만드는 더 많은 공간과 엘리먼트들을 요구할 것이다.
Ⅴ 디스플레이 시스템에서 UHP 램프들을 대체하기 위한 콤팩트, 고효율, 고 전력 어레이를 위한 VECSEL 설계
본 발명의 레이저 어레이들의 일 에플리케이션은 프로젝션 디스플레이에서 사용된 종래의 백색 광원에 대한 대체이다. 상술한 바와 같이, 크기조정 가능하며, 제조가능한 구조는 VECSEL 의 개수가 고전력, 신뢰성있고, 실질적으로 스페클 없는 출력을 달성하도록 선택되는 것을 허용한다. 추가적으로, 실험 데이터는 VECSEL 어레이들이 극단적으로 콤팩트하고 높은 효율을 가질 수 있다는 것을 보여준다. 실험 데이터는 개별적 VECSEL들은 펄스 모드 주파수 더블링을 사용해서 30 내지 50 mW 의 단위로 가시광에서 출력 전력을 생성할 수 있음을 보여준다. 펌프 레이저의 펄스 폭의 최적화는 평균 펄스 SHG 전력에서의 두개의 상승의 인자 이상을 생성한다. 열적 모델링은 펄스 모드 에플리케이션들에 대해서 VECSEL들은 2:1 내지 3:1 의 단위로 패킹 비율로 미세하게 패킹될 수 있음을 보여준다.
VECSEL 이득 엘리먼트는 낮은 광학 손실들에 대해서 바람직하게는 최적화된다. 100 내지 400 미크론들의 이득 직경들을 사용하는 50 내지 100 미크론들의 기판 두께를 가진 경우, 캐리어 이득 분포는 중간 E16 n-타입으로 기판 도핑 레벨에 대해서 거의 톱 햇이다.
VECSEL 의 효율은 전기적으로 펌핑된 직경이 상승함에 따라 상승함이 실험적 연구를 통하여 발견되었다. VECSEL 의 각각의 이득 엘리먼트는 사전 선택된 직경으로 현재 삽입을 제한하는 다른 기술들 또는 예를 들면 프로톤 삽입을 사용해서 사전 선택된 직경으로 한정된 전류를 가질 수도 있다. 실험적 연구는 높은 패 킹 밀도를 가진 어레이가 레이저의 반도체 부분의 비용을 감소시키면서, 펄스 모드로 사용될 수도 있음을 나타낸다.
도 33 을 참조할 때, 선택된 직경으로 제한된 전류 삽입을 가진 VECSEL 에서, 양자 우물 이득 영역의 전기적으로 펌핑된 영역일 것이다. 하지만, 전기적으로 펌핑된 영역에서의 이득이 충분히 높고 충분히 넓은 직경이면, 양자 우물의 측면에서 실질적으로 증폭된 자발적인 발광이 존재할 것이다. 결과적으로, 도 34 에 도시된 바와 같은 낮은 광학 손실을 가진 광학적으로 펌핑된 고리모양 영역이 존재할 것이다. 이러한 효과들은 높은 전류 펄스 모드 동작 및 넓은 직경 VECSEL 에 대해서 특히 주장될 것이며, 그러한 VECSEL 들은 80-150 미크론의 범위에서 전기적으로 펌핑된 직경을 가진다. 이러한 고리모양 측면 펌핑은 추가적 광학 이득 및 낮은 손실 영역을 생성한다. 매우 펌핑된 큰 직경 디바이스에 대해서 광학 전력의 40-60% 가 광학적으로 펌핑된 고리 영역에 있을 수 있다. 고리 모양 측면 펌핑의 효과를 이해하는 다른 방법은 측면 증폭된 자발적 발광으로부터 손실된 에너지는 외부 공동 모드가 광학 모드 직경이 고리 모양 영역에서 전력의 적어도 일부를 회복하도록 조정되는 한 회복되는 것이다.
실험적 연구는 150 미크론 직경 전기적으로 펌핑된 이득 영역을 가진 VECSEL 들이 수백 와트에 접근하는 기본 파장에서의 연장 공동에서의 순환 전력을 가진다는 것을 보여준다. 높은 순환 전력 밀도는 순서대로 SHG 출력을 개선한다. 추가적으로, 비교적 넓은 전기적으로 펌핑된 직경은 좁은 직경 VECSEL과 비교되는 정렬 허용 오차를 완화시킨다. 선택적으로, 넓은 직경 VECSEL 을 이해하는 다 른 방법은 측면 광학 펌핑에 의해서 주어지는 추가적 이득 이외에 넓은 직경은 제조 오정렬의 특정 수준으로 더 낮은 광학 커플링 손실을 생성하는 것이다.
VECSEL들의 고효율은 또한 냉각 필요성을 감소시키면서 열 분산을 또한 감소시킨다. 추가적으로, 높은 효율 및 높은 패킹 밀도는 하나 또는 두개의 입방 인치들의 전체 볼륨을 가진 비교적 콤팩트한 모듈이 RGB 와 같은 여러 가시광 파장들에서 실질적 전력을 생성하게 하는 것을 허용한다.
도 35 는 VECSEL들 (ECSEL 세로단), LED들, 및 UHP 램프들을 비교하는 차트이다. 본 발명의 교시에 따라 제조된 VECSEL 어레이들은 UHP 램프들보다 우수한 전력, 밝기, 효율, 및 비용 특성을 가진다. 추가적으로, VECSEL 어레이는 극단적으로 콤팩트하며, DLP 시스템에 대한 컬러 휠 및 팬 (fan) 의 필요성을 제거한다. 3LCD 엔진과 같은, 다른 디스플레이 에플리케이션에서, 추가적 편광기들, 컬러 필터들, 터닝 미러들, 및 플라이 아이 렌즈들 (fly eye lense)에 대한 필요성이 제거된다. 결과적으로, VECSEL 어레이들은 많은 프로젝션 디스플레이 에플리케이션에서 UHP 램프에 대한 대체로써 유용하다. 게다가, 콤팩트한 크기는 높은 커플링을 비교적 작은 마이크로디스플레이에 제공한다. 따라서, 본 특허 출원에서 설명된 동작의 방법들 및 광원들은 종래의 LED들 및 UHP 램프들에 대한 대체로써 다양한 광 엔진 구조에서 사용될 수도 있다.
Ⅵ 다른 최적화
본 발명의 실시형태들은 다양한 최적화로 구체화될 수도 있다. 비선형 크리스탈의 변형이 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 고려된다. 비선형 크리스 탈은 예를 들면 주기적 극성인 리튬 니오베이트 (PPLN), 주기적 극성인 리튬 탄탈륨 (PPLT), 주기적 극성인 칼슘 티타닐 인산염 (PPKTP), 또는 주기적 극성인 류비듐 티타닐 비산염 (PPRTA) 와 같은 주기적 극성인 물질들이다. 비선형 크리스탈은 비선형 변환 스펙트럼 및 온도 대역폭을 증가시키기 위해서 처핑된 비주기적 패턴으로 극성을 띌 수도 있다. 비선형 크리스탈은 리튬 트리보레이트 (LBO), 칼슘 티타닐 인산염 (KTP), 베타-바륨 붕산염 (BBO), 세슘 리튬 붕산염 (CLBO) 또는 칼슘 니오베이트 (KNbO3) 와 같은 벌크 비선형 물질들일 수도 있다.
이득 엘리먼트는 GaInAs, GaAlAs, GaInAsN 및 GAN 과 같은, 다양한 반도체 물질들로 형성될 수도 있다.
볼륨 브래그 그래이팅은 감소된 어레이 간섭 및 스페클을 생성하기 위한 처핑된 굴절률 패턴으로 설계될 수도 있다.
섬유 브래그 그래이팅과 같은, 추가적 광학 엘리먼트들이 주파수 제어를 제공하기 위해서 포함될 수도 있다.
Ⅶ. 조합 및 서브-조합
본 발명이 다양한 예시에 대해서 설명되었지만, 다양한 예시들은 또한 조합들 및 서브-조합들로 사용될 수 있음이 이해될 것이다.
Ⅷ. 다른 에플리케이션들
본 특허 출원의 개별적 레이저들 및 레이저 어레이들이 프로젝션 디스플레이 에플리케이션에 관해서 폭넓게 설명되었지만, 또한 다른 에플리케이션에 대해서 활 용될 수 있음이 이해될 것이다.
설명의 목적으로, 상술한 서술은 본 발명의 완벽한 이해를 제공하기 위해서 특정 용어를 사용했다. 하지만, 당업자는 당 기술 분야에서 특정 상세한 설명은 본 발명을 실시하기 위해서 요구되지 않음을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 특정 실시형태의 상술한 서술은 예시와 설명의 목적을 위해서 주어진다. 그것들은 포괄적으로 의도되지 않으며, 본 발명을 개시된 특정 형태로 제한하는 것으로 의도되지 않으며; 명확하게는 많은 수정 및 변형들이 상기 교시의 관점에서 가능하다. 실시형태들은 본 발명 및 구체적 에플리케이션들의 원리를 가장 잘 설명하기 위해서, 및 그것에 의해서 본 발명 및 다양한 수정들을 가진 다양한 실시형태들을 고려된 특정 형태에 적합하도록 활용하는 것을 가능하게 하기 위해서 선택되고 설명되었다. 다음의 청구항들 및 그 균등물들이 본 발명의 범위를 규정하는 것으로 의도된다.

Claims (22)

  1. 패스 당 약 1%를 초과하는 공동 내부 손실로 주파수 더블링된 주파수에서 출력 전력이 급속히 감소하는 공동 내부 주파수 더블링을 갖는 표면 발광 연장 공동 레이저로서,
    기본 파장 부근의 적어도 수 나노미터의 파장의 대역에서 광학적 이득을 생성하는 표면 발광 레이저 이득 엘리먼트로서, 상기 기본 파장은 기본 주파수에 대응하는, 상기 표면 발광 레이저 이득 엘리먼트;
    연장 공동을 형성하기 위해 상기 레이저 이득 엘리먼트로부터 이격된 출력 커플러로서, 상기 출력 커플러는 상기 기본 주파수에서 광에 대해 고 반사율을 갖는, 상기 출력 커플러;
    상기 연장 공동 내에서 순환하는 상기 기본 주파수에서의 광을 주파수 더블링하기 위해서 상기 연장 공동에 배치된 비선형 크리스탈로서, 상기 비선형 크리스탈은 약 1 나노미터 이하의 유효 주파수 더블링을 위한 대역폭과 상기 기본 주파수에서 광의 세기에 대한 상기 주파수 더블링된 출력 전력의 비선형적 의존성을 갖는, 상기 비선형 크리스탈; 및
    출력 광의 상기 주파수를 안정화하기 위한 박막 간섭 필터로서, 상기 박막 간섭 필터는 상기 연장 공동에 배치되고, 상기 기본 주파수 광에 대해 패스 당 1% 이하의 광학적 손실 및 1 나노미터 미만의 대역폭으로 상기 기본 주파수 부근에서 노치 필터로서 작동하는, 상기 박막 간섭 필터를 포함하는, 표면 발광 연장 공동 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 간섭 필터는 제 2 하모닉 주파수에서 투과성인, 표면 발광 연장 공동 레이저.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 간섭 필터는 적어도 수 나노미터의 파장 범위에 대해서 노치 필터로서 기능하는, 표면 발광 연장 공동 레이저.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 간섭 필터는 종래의 에탈론 또는 복굴절 필터에 대한 대체물로서 동작하는, 표면 발광 연장 공동 레이저.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 간섭 필터는 광학 기판, 상기 기본 파장에 대한 1/4 파장 레이어의 제 1 브래그 미러 레이어 스택, 상기 기본 파장에서 파장의 전체 수와 동일한 광학 두께를 갖는 공진 공동, 및 상기 기본 파장에 대하여 1/4 파장 레이어로 형성된 제 2 브래그 미러 레이어 스택을 포함하는, 표면 발광 연장 공동 레이저.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 간섭 필터는 상기 표면 발광 레이저 이득 엘리먼트에 배치된 브래그 미러의 시퀀스의 광학 아날로그인, 표면 발광 연장 공동 레이저.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 간섭 필터의 상기 대역폭은 상기 레이저 공동의 단일-종축 모드 동작을 실시하기 위해 선택되는, 표면 발광 연장 공동 레이저.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 간섭 필터의 상기 대역폭은 상기 연장 공동의 1 을 초과한 종축 모드에서 레이저를 발하도록 선택되는, 표면 발광 연장 공동 레이저.
  9. 제 1 항에 있어서,
    어레이로서 구성되고;
    상기 표면 발광 레이저 이득 엘리먼트는 공통 칩 상에 배치된 발광기의 어레이를 포함하고;
    상기 출력 커플러는 상기 발광기의 어레이에 공통되고;
    상기 비선형 크리스탈은 발광기의 상기 어레이의 각각의 발광기에 주파수 더블링을 제공하고;
    상기 박막 간섭 필터는 발광기의 상기 어레이의 각각의 발광기의 상기 주파 수를 안정화하는, 표면 발광 연장 공동 레이저.
  10. 패스 당 약 1%를 초과하는 공동 내부 손실로 주파수 더블링된 주파수에서 출력 전력이 급속히 감소하는 공동 내부 주파수 더블링을 갖는 표면 발광 연장 공동 레이저로서,
    기본 파장 부근에서 공진 상태를 생성하는 하나 이상의 브래그 미러와 이득 영역을 갖는 표면 발광 레이저 이득 엘리먼트로서, 상기 표면 발광 레이저 이득 엘리먼트는 기본 파장 부근의 적어도 수 나노미터의 파장의 대역에서 광학적 이득을 생성하며, 상기 기본 파장은 기본 주파수에 대응하는, 상기 표면 발광 레이저 이득 엘리먼트;
    연장 공동을 형성하기 위해 상기 레이저 이득 엘리먼트로부터 이격된 출력 커플러로서, 상기 출력 커플러는 상기 기본 주파수에서 광에 대해 고 반사율을 갖는, 상기 출력 커플러;
    상기 연장 공동 내에서 순환하는 상기 기본 주파수에서의 광을 주파수 더블링하기 위해서 상기 연장 공동에 배치된 비선형 크리스탈로서, 상기 비선형 크리스탈은 약 1 나노미터 이하의 유효 주파수 더블링에 대한 대역폭과 상기 기본 주파수에서 광의 세기에 대한 상기 주파수 더블링된 출력 전력의 비선형적 의존성을 갖는, 상기 비선형 크리스탈; 및
    상기 연장 공동에 배치된 박막 간섭 필터로서, 박막 간섭 필터가 상기 기본 주파수에서 광에 대한 패스 당 1% 이하의 광학 손실 및 1 나노미터 미만의 대역폭 을 가진 상기 기본 주파수 부근에서 노치 필터로서 동작하도록, 상기 표면 발광 레이저내의 브래그 미러들과 광학적으로 아날로그인 브래그 미러들의 시퀀스 및 연관된 스패이서를 가지는, 상기 박막 간섭 필터를 포함하는, 표면 발광 연장 공동 레이저.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 간섭 필터는 종래의 에탈론 또는 복굴절 필터에 대한 대체물로서 동작하는, 표면 발광 연장 공동 레이저.
  12. 왕복 당 약 1%를 초과하는 기본 파장에서의 순환 전력 손실로 주파수 더블링된 주파수에서 출력 전력이 급속히 감소하는 공동 내부 주파수 더블링을 갖는 표면 발광 연장 공동 레이저로서,
    기본 주파수에 대응하는 기본 파장에 부근의 파장의 대역에서 광학적 이득을 생성하는 표면 발광 레이저 이득 엘리먼트;
    연장 공동의 엔드 반사기로서 기능하도록 상기 레이저 이득 엘리먼트로부터 이격된 볼륨 브래그 그래이팅으로서, 상기 볼륨 브래그 그래이팅은 상기 기본 주파수에서 광에 대해 고 반사율을 갖는, 상기 볼륨 브래그 그래이팅; 및
    상기 연장 공동 내에서 순환하는 상기 기본 주파수에서의 광을 주파수 더블링하기 위해서 상기 연장 공동에 배치된 비선형 크리스탈로서, 상기 비선형 크리스탈은 약 1 나노미터 이하의 유효 주파수 더블링에 대한 대역폭과 상기 기본 주파수 에서 광의 세기에 대한 상기 주파수 더블링된 출력 전력의 비선형적 의존성을 갖는, 상기 비선형 크리스탈을 포함하고,
    상기 볼륨 브래그 그래이팅은 기본 주파수에서의 광에 대해 99% 이상의 반사율로 1 나노미터 미만의 대역폭을 가진 상기 기본 주파수 부근에서 노치 반사 필터로서 동작하는, 표면 발광 연장 공동 레이저.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 볼륨 브래그 그래이팅은 상기 기본 주파수에서 반사적인 광학 코팅을 더 포함하는, 표면 발광 연장 공동 레이저.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 볼륨 브래그 그래이팅의 상기 대역폭은 상기 레이저 공동의 단일-종축 모드 동작을 실시할 만큼 충분히 협소하게 설계되고 어레이 발광기의 수는 1 과 동일한, 표면 발광 연장 공동 레이저.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 하모닉 광은 이색성으로 코팅된 빔 스플릿터를 통해 상기 공동으로부터 추출되는, 표면 발광 연장 공동 레이저.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 볼륨 브래그 그래이팅의 상기 스펙트럼 대역폭은 상기 연장 공동의 1 을 초과하는 종축 모드에서 레이저를 발하도록 선택되는, 표면 발광 연장 공동 레이저.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 볼륨 브래그 그래이팅은 상기 제 2 하모닉 주파수에서 투과성인, 표면 발광 연장 공동 레이저.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 볼륨 브래그 그래이팅은, 레이저 컴포넌트의 활성 온도 조정이 필요하지 않도록 하는 온도의 범위에 대해서 상기 연장 공동 레이저를 안정화하기 위해 선택된 온도에 대한 광학 응답을 갖는, 표면 발광 연장 공동 레이저.
  19. 제 12 항에 있어서,
    어레이로서 구성되고:
    상기 표면 발광 레이저 이득 엘리먼트는 공통 칩 상에 배치된 발광기의 어레이를 포함하고;
    상기 볼륨 브래그 그래이팅은 상기 발광기의 어레이에 공통이고;
    상기 비선형 크리스탈은 발광기의 상기 어레이의 각각의 발광기에 주파수 더블링을 제공하고;
    상기 볼륨 브래그 그래이팅은 상기 발광기의 어레이의 각각의 발광기의 상기 주파수를 안정화하는, 표면 발광 연장 공동 레이저.
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 볼륨 브래그 그래이팅은 종래의 에탈론 또는 복굴절 필터의 필요성을 제거하는, 표면 발광 연장 공동 레이저.
  21. 공동 내부 주파수 더블링을 갖는 표면 발광 연장 공동 레이저로서,
    기본 파장 부근에 적어도 수 나노미터의 파장의 대역에서 광학적 이득을 생성하는 표면 발광 레이저 이득 엘리먼트로서, 상기 기본 파장은 기본 주파수에 대응하는, 상기 표면 발광 레이저 이득 엘리먼트;
    연장 공동을 형성하기 위해 상기 레이저 이득 엘리먼트로부터 이격된 출력 커플러로서, 상기 출력 커플러는 상기 기본 주파수에서의 광에 대해 고 반사율을 갖는, 상기 출력 커플러;
    상기 연장 공동 내에서 순환하는 상기 기본 주파수에서의 광을 주파수 더블링하기 위해서 상기 연장 공동에 배치된 비선형 크리스탈로서, 상기 비선형 크리스탈은 유효 주파수 더블링을 위한 스펙트럼 대역폭을 갖는, 상기 비선형 크리스탈; 및
    상기 출력 광의 주파수를 안정화하기 위한 박막 간섭 필터로서, 상기 박막 간섭 필터는 상기 연장 공동 내에 배치되고 상기 스펙트럼 대역폭 내에서 필터 대 역폭을 갖는 상기 기본 주파수 부근에서 노치 필터로서 작동하는, 상기 박막 간섭 필터를 포함하고,
    상기 표면 발광 연장 공동 레이저는 상기 기본 주파수를 고정하기 위해 에탈론 또는 복굴절 필터를 필요로 하지 않고 안정한 기본 주파수를 갖는, 표면 발광 연장 공동 레이저.
  22. 공동 내부 주파수 더블링을 갖는 표면 발광 연장 공동 레이저로서,
    기본 주파수에 대응하는 기본 파장 부근의 파장의 대역에서 광학적 이득을 생성하는 표면 발광 레이저 이득 엘리먼트;
    연장 공동의 엔드 반사기로서 기능하도록 상기 레이저 이득 엘리먼트로부터 이격된 볼륨 브래그 그래이팅으로서, 상기 볼륨 브래그 그래이팅은 상기 기본 주파수에서의 광에 대해 고 반사율을 갖는, 상기 볼륨 브래그 그래이팅;
    상기 연장 공동 내에서 순환하는 상기 기본 주파수에서의 광을 주파수 더블링하기 위해서 상기 연장 공동에 배치된 비선형 크리스탈로서, 상기 비선형 크리스탈은 유효 주파수 더블링을 위한 스펙트럼 대역폭을 갖는, 상기 비선형 크리스탈; 및
    상기 스펙트럼 대역폭 내에서 필터 대역폭을 갖는 상기 기본 주파수 부근에서 노치 필터로서 동작하는 상기 볼륨 브래그 그래이팅을 포함하고;
    상기 표면 발광 연장 공동 레이저는 상기 주파수를 고정하기 위해 에탈론 또는 복굴절 필터를 필요로 하지 않고 안정한 주파수를 갖는, 표면 발광 연장 공동 레이저.
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