KR20210035096A - 파라볼릭 미러와 평면-볼록 형광 본체를 포함하는 콤팩트한 고-스펙트럼-방사 광원 - Google Patents

파라볼릭 미러와 평면-볼록 형광 본체를 포함하는 콤팩트한 고-스펙트럼-방사 광원 Download PDF

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Abstract

펌핑된 형광 광원은 편평한 상면과 볼록한 후면을 가진 형광 본체 상의 하나 이상의 펌프 소스들로부터의 펌핑 광을 유도시키는 하나 이상의 미러들을 포함한다. 상면은 반사-방지 코팅으로 코팅될 수 있고, 볼록한 후면은 효율을 향상시키기 위해 반사 코팅으로 코팅될 수 있다. 또한, 본체의 상면은 백색 출력 빔을 생성하기 위해 미러(들)로부터 제공되는 여기 광의 일부를 산란시키기 위해 거칠게 처리될 수 있다. 미러(들)는 광원들의 출력 빔의 집광 영역의 외부에 배치된 반사 표면들을 구비하여, 집광 영역이 미러(들)에 의해 방해되지 않는다. 또한, 광원은 본체로부터 방출되는 광을 집광하기 위한 집광 렌즈를 포함한다. 미러는 방출을 자극하기 위해 여기 광을 본체 상에 포커싱시키는 단일의 파라볼릭 미러일 수 있다.

Description

파라볼릭 미러와 평면-볼록 형광 본체를 포함하는 콤팩트한 고-스펙트럼-방사 광원
본 발명은 일반적으로 광원(optical source)에 관한 것으로서, 특히 여기 광(excitation light)을 평면-볼록(plano-convex) 형광 본체(fluorescent bodoy)로 향하게 하는 파라볼릭 미러(parabolic mirror)를 포함하는 고-스펙트럼-방사(high-spectral-radiance) 형광 광원(light source)에 관한 것이다.
많은 생체의학적 응용 분야들 및 형광 이미징 응용 분야들과 같은 이미징 응용 분야들의 경우에, 협대역(narrowband) 조명에 의해 생성되는 스페클(speckle) 필드가 협대역 조명을 부적합하게 만들기 때문에, 생체의학적 응용 분야들뿐만 아니라, 형광 또는 기타 유사한 조명(illumination) 조건들의 자극(stimulation)이 필요한 다른 응용 분야들에서, 일반적으로 광대역 광원이 필요하다. 지금까지의 광대역 비간섭성(incoherent) 광원들은 비교적 큰 광학 시스템들이고, 발산(divergence)이 낮은 출력 빔(beam)을 생성하기 위해 큰 렌즈들 및/또는 반사기(reflector)들이 필요하다. 이러한 광학 시스템들의 사이즈는, 광섬유(optical fiber)와 같은 도파관(waveguide)에 출력 빔을 커플링시키는 효율성을 제한한다.
소위, "백색 LED(발광 다이오드)"들과 같은 오늘날의 고체 상태(solid state) 광대역 형광 광원들은 종종 LED들을 이용하여 에폭시 수지에 내장된 형광 크리스탈(crystal) 분말 또는 개별 형광 크리스탈들과 같은 형광 재료들을 펌핑(광학적으로 자극)한다. LED들을 펌프로서 사용하면 비용과 사이즈를 줄일 수 있지만, 이러한 형광 광원들의 스펙트럼 방사(W/Hz/m2/sr)는, 형광 재료의 흡수 대역 내부의 펌프 LED(들)의 방사(W/m2/sr), 및 여기(exitation)로부터 형광 재료로 전달되는 열의 열 관리에 의해 제한된다. LED들과 같은 낮은 방사 광학 펌프 소스들의 사용은 스펙트럼 방사가 낮은 형광 광의 방출(light emission)으로 이어진다. 이러한 스펙스럼 방사가 낮은 소스들은, 장거리(long-range) 응용 분야들에 부적합한 불량한 시준(collimated) 광 빔(light beam)을 제공하거나, 고-해상도 응용 분야들, 특히 액체 광 가이드들 및 서브-밀리미터 코어 광섬유들과 같은 광 가이드들의 커플링에 부적합한 초점 형성이 불량한 광 빔들을 제공한다.
더 높은-방사(higher radiance) 응용 분야들에서 형광 본체를 냉각시키기 위해, 전면(front-surface) 또는 전단(front-end) 펌핑 방식들이 사용될 수 있다. 이러한 구조들에서, 출력 형광 광 빔은 입력 펌프 빔들과 동일한 사이드 상에 있다. 이러한 프런트-사이드(side) 펌핑 방식들은 종종 펌핑 광원들(레이저 다이오드들, LED들 등)이 필요할 뿐만 아니라, 이러한 펌프 소스들의 빔 조향(steering)과 초점 광학장치(focusing optics)는 형광 재료의 전방에 배치되어야 한다. 이러한 배열은 다음과 같은 몇 가지 단점들이 있다. 첫째, 형광 본체 전방에 광학 요소들을 위치시키는데 실질적인 공간 제약들이 있다. 즉, 출력 형광 광 빔의 집광 광학장치(collecting optics), 및 대역통과 필터들, 빔 컴바이너(beam combiner)들, 섬유-커플링 광학장치 등과 같은 다른 광학 컴포넌트들이 형광 본체 앞에 위치되어야만 한다. 둘째, 펌프 소스들이 형광 본체 앞에 위치될 때, 펌핑되는 형광 재료에 부가하여 각각의 펌프 소스가 자체적으로 열 부하를 생성하기 때문에, 디바이스의 열 관리가 복잡해진다. 결과적으로 이러한 배열은 서로 떨어져 있는 다수의 히트 싱크들을 사용해야 하므로, 이에 따라 수동 또는 능동 냉각 시스템을 사용할 필요가 있기 때문에 광원의 열 인터페이스가 복잡해진다. 마지막으로, 결과적인 광원은 대량 생산 및 광학 정렬에 어려움을 일으키는 어셈블리 절차들이 필요하다.
따라서, 콤팩트한 디자인과 제조 비용을 낮게 유지하면서 높은 스펙트럼 방사를 가진 광원을 제공할 필요가 있다.
본 발명은 제조 비용이 낮고 스펙트럼 방사가 높은, 콤팩트한 광원 및 광원의 작동 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 광원은 여기 파장(excitation wavelenth)에서 자극될 때 형광 특성을 갖도록 도핑된 재료 및 평면-볼록 형태를 포함하는 본체, 본체에 의해 방출되는 광을 집광하기 위한 집광(collecting) 렌즈, 하나 이상의 미러(mirror)들, 및 여기 파장에서 여기 광을 제공하기 위한 하나 이상의 광원들을 포함한다. 광원들은 상응하는 미러들로 향하는 출력들을 가지므로, 미러들은 본체에 의해 방출되는 광의 방출을 자극하기 위해 하나 이상의 광원들에 의해 제공되는 여기 광을 본체에서 유도시킨다. 하나 이상의 미러들은 집광 영역이 미러(들)에 의해 방해받지 않도록 출력 빔의 집광 영역의 외부에 배치된 반사 표면들을 구비한다. 하나 이상의 미러들은, 본체의 상면(top face) 상에 광원들의 출력들을 포커싱하기 위해 본체의 상면으로 향하는 초점 축을 가지도록 위치된 단일의 파라볼릭 미러일 수 있다.
본 발명의 상기 목적과 다른 목적, 특징들 및 장점들은 첨부된 도면들에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 이하의 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 특징으로 여겨지는 신규한 성질은 첨부된 청구 범위에 기재되어 있다. 그러나, 본 발명 자체뿐만 아니라 바람직한 사용 모드, 추가 목적들과 이점들은, 첨부된 도면과 함께 예시적인 실시예의 다음의 상세한 설명을 참조하여 읽을 때, 가장 잘 이해 될 것이다. 도면에서 유사한 참조부호들은 유사한 컴포넌트들을 나타낸다.
도 1a 및 도 1b는 본 개시의 다양한 실시예들에서 사용되는 축대칭 파라볼릭 미러의 측 단면도들이다.
도 2a는 본 개시의 일 실시예에 따른 광원(200)의 측 단면도이다.
도 2b는 본 개시의 일 실시예에 따른 광원(200)의 상부 평면도이다.
도 2c는 본 개시의 일 실시예에 따른 광원(200)의 절단 사시도이다.
도 2d는 본 개시의 일 실시예에 따른 광원(200)의 분해 사시도이다.
도 2e는 본 개시의 일 실시예에 따른 광원(200)의 사시도이다.
도 3은 대안적인 열 관리 서브시스템을 포함하는 도 2a 내지 도 2e의 광원(200)의 개략도이다.
도 4는 본 개시의 다른 실시예에 따른 광원의 측 단면도이다.
도 5는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 광원의 측 단면도이다.
본 개시는 컴포넌트의 갯수가 감소되어 제조 가능성이 개선되고, 컴팩트한 패키지 내의 스펙트럼 방사가 높은, 광원을 제시한다. 형광 광 빔을 방출하는 형광 본체를 자극하기 위한 다수의 펌프 광원들을 포함하고, 출력 형광 광 빔의 외부에 배치된 파라볼릭 미러 표면을 이용하여 펌핑 광을 집광함으로써, 광원에 의해 생성되는 광의 양을 증가시키는 한편, 광원의 출력 뒤에 펌프 광원들을 배치함으로써 더 좋은 열 관리를 제공한다. 형광 본체는 상부의 편평한 제1 면과 하부의 볼록한 제2 면을 가진 평면-볼록 형상이고, 볼록한 제2 면은 반사 코팅으로 코팅될 수 있다. 본체의 편평한 상부의 제1 면(top face)은 파라볼릭 미러로부터 수신되는 여기 광의 도입을 억제하지 않으면서 방출되는 형광 광의 배출(exit)을 용이하게 하는 반사-방지 코팅으로 코팅될 수 있다. 형광 본체는 예컨대, 적색 파장과 녹색 파장이 혼합된 파장들을 가진 "황색" 광을 일반적으로 방출하기 때문에, 출력 빔을 "백색" 빔으로 만들기 위해, 본체의 상면을 연마하여 본체의 상면을 거칠게 처리하여, 일반적으로 청색 파장인 여기 광의 일부를 산란시킬 수 있다. 파라볼릭 미러는 방출되는 출력 빔을 추출하기 위한 개구(aperture)를 제공할 수 있는 원형 프로파일 또는 환형 프로파일을 구비한다. 펌프 광원들은 형광 본체와 동일한 히크 싱크(sink)에 커플링될 수 있다. 광원은 체계적이고 단순화된 정렬 절차도 제공한다. 형광 본체 앞에 위치될 수도 있는 장애물들을 제거함으로써, 광원 출력 빔을 형성하는 컬렉터에 의해 큰 집광 입체각(solid angle)이 지원된다. 펌프 빔들의 방향이 출력 빔 집광 광학장치의 입체각 외부에 있기 때문에, 본 명세서에 예시된 광원들의 구성(configuration)은 고장시 더 안전한 작동을 제공한다. 예시된 광원의 광학 정렬 공정은 복잡성이 감소되어 자동화된 광학 정렬과 어셈블리 시스템들에 적합하기 때문에 대량 생산에 적합하다. 결과적으로, 이러한 구성은, 큰 입체각에 걸쳐 출력 형광 광선의 효율적인 집광, 펌프 광원들, 형광 재료들 및 출력 집광 광학장치의 컴팩트한 패키징, 및 출력 형광 광 빔 반대편 광원의 뒤쪽에 위치된 단일의 평면 고온 표면을 통해, 간소하고 단순화된 열 관리를 제공한다. 또한, 광학 요소들의 갯수가 감소될 수 있고, 디바이스 구조는 통신 산업에서 사용되는 버터플라이 밀폐형(hermetic) 패키지들, 특히 고출력 레이저 다이오드들 및 퀀텀 캐스케이드 레이저들에 주로 사용되는 고열 부하(High Heat Load: HHL) 밀폐형 패키지와 유사한 컴팩트한 밀폐형 패키지와 호환될 수 있다.
본 명세서에 개시된 광원들의 다양한 실시예들의 작동을 설명하기 위해, 도 1a 및 도 1b를 참조하여 파라볼릭 미러의 기본 특성을 설명한다. 도 1a는 반사 표면(100)을 가진 축대칭 파라볼릭 미러의 단면을 도시한다. 파라볼릭 미러의 단면은, 임의의 (x,y)에 대해 (x2+y2)≤(d2/4)가 되게 하는 방정식 z(x,y)=(x2+y2)/(4f)에 의해 설명되고, z는 미러의 반사면 위치이고, x와 y는 직교 좌표에서 표현된 측면 위치들이고, d는 파라볼릭 미러의 외경이고, 파라미터 f는 초점 거리이다. 이러한 미러는, 좌표 (x,y,z)=(0,0,f)에 위치된 미러의 초점(focal point) F(102)에서, z축에 평행한 시준된 광 빔, 또는, 동등하게, z축에 평행하게 도착하는 입사 광선들의 다발(101)을 반사한다. 파라볼릭 미러는 두 가지 잘 알려진 장점들을 가진다. 첫째, 심지어 개구 수(Numerical Aperture: NA)가 높더라도, 즉 초점 거리(f)에 대한 미러 직경(d)의 비율(d/f)이 크더라도 초점(focal spot)을 흐리게 하는 구면 수차(spherical aberration)가 없다. 둘째, 임의의 순수한 반사 광학 컴포넌트와 마찬가지로, 색 수차(chromatic aberration)가 없기 때문에, 미러의 특성들, 보다 구체적으로 초점 거리(f)가 반사 표면(100)의 반사 대역폭 내부의 파장과 무관한 것을 의미한다. 결과적으로, 초점 F(102)의 위치는 파장과 무관하고, 이것은 형광 광 빔들과 같은 광대역 광 빔들에 대해서도 긴밀한 초점이 되게 한다. 또한, 색 수차가 없다는 것은 단일 파라볼릭 미러를 펌프 광 빔들의 포커싱과 광대역 형광 광 빔의 시준 모두에 사용할 수 있음을 의미한다. 파라볼릭 미러들과 연관된 주요 단점은, 표면 정확도와 품질(즉, 낮은 표면 거칠기)에 대한 요구로 인해 제조가 어렵다는 것이다. 예컨대, 400-700nm 범위의 파장들의 경우, 가시 스펙트럼 내의 적절한 파라볼릭 반사기(reflector)를 제공하기 위해 서브-마이크론의 정확도가 필요하기 때문이다. 그러나, 현재 접근이 더 용이하고 경제적이 되고 있는 광학 표면 성형(shaping) 기술들 중에서, 컴퓨터 수치 제어(CNC) 연삭 및 연마, 다이아몬드 선삭(turning), 유리 또는 플라스틱 성형, 및 자기-유변학적(magneto-rheological) 표면 마감(MRF)은, 아래에 개시된 광원들의 실시예들에서 사용되는 파라볼릭 미러를 제작하는데 사용될 수 있다.
도 1b는 본 명세서에 개시된 실시예들에서 사용되는 파라볼릭 미러의 작동 원리를 더 상세히 설명한다. 광선(light ray)(101A)의 광 경로는 점 P에 위치된 펌프 소스로부터 유래하고, 점 A에서 반사 표면(100)에 의해 반사된다. 초기에, 광선(101A)은 z축에 평행하고 좌표 y=0에 의해 정의된 평면에서 좌표 x=r에 위치된다. 좌표 z=-f에 위치된 선은 포물선의 준선(directrix)(103)이다. 포물선은 초점 F(102)와 준선(103)으로부터 등거리에 있는 모든 점들의 궤적(locus)으로 알려져 있다. 결과적으로, 점 A와 점 B 사이에서 연장되는 선분(segment) AB의 길이와 점 A와 초점 F(102) 사이에서 연장되는 선분 AF의 길이는 동일하다. 그러므로, 삼각형 ABF는 동일한 각도들(
Figure pct00001
,β)을 가진 이등변 삼각형이다. 점 A와 점 P 사이에서 연장되는 선분 AP는 z축과 평행하기 때문에, 점 P와 점 B 사이에서 연장되는 선분 PB도 z축과 평행하므로, 각도 γ와 β는 엇갈리는 내각으로서 동일하다. 따라서, 각도 δ=∠SFA=γ+
Figure pct00002
(엇갈리는 내각)이다. 결과적으로, γ=
Figure pct00003
=β 및 δ=2β이다. 광선(101A) 예컨대, 평면 z=f에 배치된 형광 특성을 가진 본체의 전면(104) 상의 펌프 광선의 입사각(θi)은 각도 ∠SFA이고, 점 S는 원점(x,y,z)=(0,0,0)에 위치된 포물선의 정상(summit)이고, 점 A는 반사면(100)에 의한 광선(101A)의 반사 지점이다. 육안에 의해 직접 식별되는 바와 같이, 각도 θi=∠SFA=γ+
Figure pct00004
=2β이므로, r=2f×tan(β) 및 r=2f×tan(θi/2)이다. r, f 및 θi를 연결하는 방정식 r=2f×tan(θi/2)는 본 명세서에 개시된 실시예들에서 사용된 파라볼릭 미러의 기본 설계 방정식이다. 예시된 파라볼릭 미러는 축대칭이기 때문에, 예시된 예는 z축으로부터 거리 r에 위치된 임의의 펌프 소스에 적용될 수 있다. 본 명세서의 예는 펌프 소스로부터 형광 본체 즉, 형광 특성을 가진 재료 본체로 광을 유도시키기 위해 축대칭 파라볼릭 미러들을 사용하지만, 축대칭 파라볼릭 미러들이 반드시 필요한 것은 않으며, 다른 실시예들에서, 예컨대, 단일 축을 따라 포물선 초점을 가진 파라볼릭 원통형 미러와 같은 다른 파라볼릭 미러가 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 복수의 유한 공액(finite conjugate) 렌즈들과 평면 미러들이 형광 본체 상의 펌프 소스 출력을 재-이미지화(re-image)하는데 사용될 수도 있다.
이하에 설명되는 실시예들에서, 다중 고-출력 레이저 펌프 빔들은 형광 재료를 포함하는 본체의 전면(front surface) 상에 포커스된다. 이러한 배열에서, 펌프 출력 밀도는 매우 높은 값에 도달하여 형광 재료을 포함하는 본체의 상당한 국부적 가열로 이어질 수 있다. 이러한 국부적 가열은 본체의 전면 상에 반사-방지 코팅을 제공하는 까다로운 환경이 될 수 있다. 바람직하게, 여기(exitation) 광 반사 손실을 최소화시키고 콤팩트한 어셈블리를 유지하기 위해, 브류스터 각도(brewster angle) θB=tan-1(n)(n은 형광 재료의 굴절률)과 동일한 입사각 θi는, 여기 광의 반사를 감소시키기 위해 제공될 수 있다. θi=θB의 경우, p-편광(polarized) 광선들(즉, 입사면에 평행한 전기장을 가진 광의 빔들)에 대해, 전방(front) 공기-본체 인터페이스에서 프레넬(Fresnel) 반사가 제거된다. 레이저 다이오드 출력 빔은 일반적으로 100:1 정도의 편광 비율로 TE-편광되기 때문에, 예컨대, 도 1b에 도시된 바와 같이, 점 P에 위치된 펌프 레이저 다이오드의 경우 x-축에 평행하게 향하는 접합(junction)과 같이, 각각의 펌프 레이저 다이오드의 접합 평면(junction plane)을 방사상 축을 따라 향하게 하는 AR 코팅을 사용하지 않고서도, 모든 펌프 빔들의 프레넬 반사가 본질적으로 제거될 수 있다. 예를 들어, Ce:YAG 싱글 크리스탈은 450nm의 펌프 파장에서 굴절률 n=1.85를 가진다. 결과적으로, θB=tan-1(n)=61.6°이고, 펌프 소스의 반경 위치(r)와 파라볼릭 미러의 초점 거리(f) 사이의 관계는 rB=2f×tan(θB/2)=1.19×f가 된다. 컴팩트한 디자인을 얻기 위해, rB의 값은 예를 들어, 10mm로 설정될 수 있다. 그러면, 파라볼릭 미러의 초점 거리는 f=rB/1.19=8.39mm로 주어진다. 또한, 이러한 디자인은, 파라볼릭 미러의 중앙을 통해 제공된 개구를 통해, 매우 큰 NA에 걸쳐 형광 집광과 호환된다. 제1 근사치로서, 파라볼릭 미러의 중앙 개구의 직경은 2rB에 접근할 수 있고, NA=sin(θB)=0.871에 접근하는 개구 수를 제공한다. 위의 예는 펌프 레이저 빔들을 방해하지 않으면서 매우 큰 NA에 걸쳐 방출된 형광 빔의 집광을 허용하면서 브류스터 각도 프런트 사이드 펌핑 방식과 호환되는 본 개시의 실시예를 설명하지만, 이러한 예는, 청구 범위와 그 균등물에 언급된 바와 같이, 본 개시에 의해 밝혀진 원리들을 포함하는 다른 배치들의 가능성들을 제한하는 것은 아니다. 또한, 본 개시의 실시예들은 브류스터 각도 펌핑에 한정되지 않으며, 펌핑 빔들은 비(non)-브류스터 각도에서 제공될 수 있다. 형광 방출을 최대화시키기 위해, 본 명세서에 개시된 실시예들은 형광 본체로부터의 방출을 증가시키기 위해 반사-방지 코팅을 사용할 수 있다. 방출 파장에서 이러한 반사-방지 코팅을 제공하는 것은, 여기 광에 대해 위에서 설명한 브류스터 각도 조건들에 영향을 미치지만, 상이한 굴절률을 가진 재료의 일반적인 스택(stack)들인 박막 디자인은, 지정된 각도 범위에 걸쳐 방출 파장들에서 내부 재-반사를 줄이는 한편, 다른 지정된 각도 범위에 걸쳐 여기 파장들에서 본체의 외부 경계에서 반사를 줄이기 위해 특별히 조정될 수 있다.
===도 2a를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 광원(200)의 측 단면도가 도시된다. 도시된 예는 형광 재료의 평면-볼록 형광 본체(201)에 광학(optical) 펌핑을 제공하기 위해, 형광 본체(201)의 볼록한 후면(바닥면)은 마운팅 베이스(203)의 중앙에 위치되고 상기 후면과 대응되는 프로파일을 가진 히트 스프레더(heat spreader)(202)에 열적 및 기계적으로 본딩된다. 바람직하게, 히트 스프레더(202)와 마운팅 베이스(203)는 구리, 알루미늄 또는 텅스텐-구리(W-Cu) 합금과 같은 높은 열전도성 재료로 제조된다. 대안적으로, 히트 스프레더(202)는 광원(200) 내부에 형광 본체(201)를 장착시키는데 사용되는 열전도성 페이스트 및 접착제를 포함하는, 열 관리를 개선하는 다수의 재료들의 스택으로서 형성될 수 있다. 광학 펌핑은 환형 파라볼릭 미러(204)을 통해 달성되고, 환형 파라볼릭 미러(204)는 다수의 펌프 레이저 다이오드들(206)에 의해 제공되는 다수의 펌프 빔들을 결합(combine)하고 포커싱한다. 이 예에서, 펌프 레이저 다이오드들(206)은 예컨대, TO-캔(can) 패키지들로 제공되고, 펌프 빔들(205A)을 발산한다. 적절한 형상과 초점 거리를 가진 렌즈(207)(예, 높은-NA 비구면(aspherical) 성형 유리 렌즈) 는 펌프 레이저 다이오드들(206)로부터 발산되는 펌프 빔들(205A)을 먼저 시준하거나 거의 시준한다. 다른 실시예들에서, 렌즈(207)는 빠른(fast)-축 시준 렌즈와 느린(slow)-축 시준 렌즈의 조합 또는 실질적으로 시준된 빔들을 제공하는데 적합한 임의의 단일 또는 다중-요소 빔 성형기(shaper)로 대체될 수 있다. 이어서, 렌즈(207)에 의해 시준되거나 거의 시준된 펌프 빔들(205B)은 환형 파라볼릭 미러(204)의 고-반사 코팅(204A)으로부터 반사되어 펌브 빔들(205C) 형태로 형광 본체(201)의 전면(상면) 상으로 방향이 전환되어 초점을 맞춘다. 환형 파라볼릭 미러(204)의 초점이 형광 본체(201)의 전면(상면) 중앙에 위치되도록, 환형 파라볼릭 미러(204)는 미러 마운트(208)에 의해 펌프 레이저 다이오드(206)와 렌즈(207) 위에 고정된다. 환형 파라볼릭 미러(204)의 개구(211) 내부에는 시준 렌즈(210)가 고정되고, 출력 빔(209A)은 시준 렌즈(210)를 통과하여 개구(211)를 빠져나간다. 시준 렌즈(210)는 출력 빔(209A)을 시준하여 시준된 출력 빔(209B)을 형성한다. 펌프 레이저 다이오드들(206)과 렌즈(207)에 의해 제공되는 각각의 여기 빔은 조향되고 포커싱됨으로써, 펌프 빔들(205C)이 형광 본체(201)의 상면의 중앙에 컴바인된다. 형광 본체(201)의 전면(상면)은 펌프 빔들(205C)에 의해 제공되는 광의 일부가 반사되도록 거칠게 표면처리될 수 있으므로, 펌프 레이저 다이오드들(206)에 의해 제공되는 일반적으로 청색 파장들은 광원(200)의 광학 출력 내의 형광 본체(201)에 의해 방출되는 일반적으로 적색-녹색 파장들과 결합하여 황색(주로 적색-녹색)보다는 백색(광학 스펙트럼 전반에 걸친 광대역인) 스펙트럼을 생성한다. 또한, 형광 본체(201)의 전면(상면)은 형광 본체(201)의 출력 효율을 증가시키기 위해 방출 파장들에서 활성인 반사-방지 코팅으로 코팅될 수 있지만, 브류스터-각도-유도 펌프 빔들(205C)을 방해하지 않는다.
또한, 도 2a는 형광 본체(201)의 뒤쪽(하부) 사이드에 구현되고, 공기의 유동에 기반하는 냉각 시스템으로서의 열 관리 서브시스템의 특정 실시예를 도시한다. 전기로 작동되는 팬(212)은 히트 스프레더(202) 아래에 형성된 하우징(216)의 하부 리세스 내에 장착된다. 에어 디렉터(220)는 히트 스프레더(202)의 하부 사이드에 있는 원추형 리세스 내부에 끼워지고, 입구 통로(222A)와 출구 통로(222B)를 포함한다. 팬(212)에 의해 공급되는 공기는 에어 디렉터(220)의 입구 통로(222A)에 의해 안내되어 형광 본체(201)의 하부 사이드에 근접한 캐비티(221)를 통과한 후, 에어 디렉터(222)의 출구 통로(222B)를 거쳐 하우징(216)의 하부에 마련된 하나 이상의 덕트들을 통해 벤트된다. 공기의 벤트는 광원(200)이 장착되는 베이스 내의 임의의 장소에 마련될 수 있다. 광원(200)의 내부 광학 컴포넌트들의 작동이 열 관리 서브시스템에 의해 손상되지 않도록, 열 관리 서브시스템의 디렉터(220)와 팬(212)은 광원(200)의 밀폐되게-밀봉된(hermetically-sealed) 부분의 외부에 배치된다. 대안적 실시예들에서, 공기 유동식 냉각 시스템 대신에, 필요한 경우, 적절한 외부 피팅(fitting)들을 이용하여 입구 통로(222A)와 출구 통로(222B)를 통해 액체 냉각 구조를 채용할 수 있다.
도 2b는 도 2a의 광원(200)의 단순화된 평면도를 도시한다. 도 2b를 참조하면, 형광 본체(201) 주위의 원(circle) 내부에 5개의 펌프 레이저 다이오드들(206)이 배치되는 것을 알 수 있다. 도 2b에 도시된 광원(200)은 하우징(216) 내부에서 시스템의 대칭축 주위에 분포된 다수의 펌프 레이저 다이오드들(206)을 포함하지만, 일부 실시예들에서, 환형 파라볼릭 미러(204)를 관통하는 개구를 필요로 하지 않는 변경된 형태의 비대칭 배열뿐만 아니라, 펌프 레이저 다이오드들 모두가 형광 본체(201)의 일측에 배치되는 배열도 가능하다. 도 2a에서, 예컨대, 형광 본체(201)로서 Ce:YAG 크리스탈이 사용되는 경우, 평균 형광 수명 시간(약 70ns) 후 도핑 요소의 탈-여기(de-excitation)시 펌프 빔들(205A-205C)에 의해 제공된 여기(exitation)에 응답하여, 모든 펌프 빔들(205C)은 형광 본체(201)에 의해 적어도 부분적으로 흡수되고, 형광 출력을 방출한다. 일반적으로 형광은 등방성으로 방출된다. 즉, 형광은 4π 스테라디안(steradian)의 입체각에 걸쳐 방출된다. 따라서, 반사에 의해 형광 방출이 출력 빔(209A)에 기여하도록 하기 위해, 형광 본체(201)의 볼록한 하면에 광대역 고-반사 코팅을 제공하거나, 형광 본체(201)에 광학적으로 본딩된 히트 스프레더(202)에 고-반사성 상면을 마련하는 것이 유리하다. 출력 빔(209A)은 환형 파라볼릭 미러(204)의 개구(211)를 통과할 때 발산(diverge)하고, 출력 빔(209A)은 일반적으로 부가적인 광학 요소들 또는 디바이스들에 의해 다른 공간적 또는 스펙트럼적으로 빔 성형(shaping)될 수도 있다. 본 실시예에서, 환형 파라볼릭 미러(204)의 개구(211)에는 큰 개구 수(Numerical Aperature: NA)를 가진 시준 레즈(210)가 배치된다. 시준 렌즈(210)는 형광 방출을 집광하기 위해 형광 본체(201)의 펌핑되는 위치에 그 초점이 위치되도록 설계된다. 시준 렌즈(210)에 의해 생성되는 시준된 출력 빔(209B)은 광원의 출력을 제공한다. 바람직하게, 시준된 출력 빔(209B)의 잔류 발산(residual divergence)에 대한 구면 수차와 색 수차의 영향을 최소화하기 위해, 큰 개구 수(NA)를 가진 시준 렌즈(210)는 비구면이고 무채색이다. 대안적으로, 본 명세서에 기술된 각각의 실시예에서, 예컨대, 시준 렌즈(210)와 같은 시준 디바이스는 축-상(on-axis) 또는 축-외(off-axis) 파라볼릭 미러, 프레넬 렌즈, 또는 임의의 다른 굴절, 반사 또는 회절 광학 다바이스에 의해 제공될 수 있다. 패키지의 사이즈를 줄이기 위해, 시준 렌즈(210)는 개구(211) 내부에 위치되지만, 다른 실시예들에서, 이러한 공동-위치는 불필요하고, 시준 디바이스의 초점이 형광 본체(201)의 펌핑된 위치와 일치하는 한, 시준 디바이스는 환형 파라볼릭 미러(204)의 개구를 통과하여 빠져나가는 광을 집광하고 시준하기 위해 환형 파라볼릭 미러(204)의 상부 또는 하부에 배치될 수 있다.
브류스터 각도 레이저 다이오드 펌핑을 사용하는 특정 실시예에서, 펌프 레이저 다이오드들(206)의 각각의 접합부(junction)들은 반경 방향으로 배열된다. 즉, 접합부들은 형광 본체(201)의 표면에서 요구되는 p-편광 빔들을 얻기 위해 도시된 원형 배열에 수직으로 정렬된다. 위에서 언급한 바와 같이, 형광 본체(201)의 후면에 고-반사(HR) 광대역 코팅을 적용하거나, 방출된 형광 광을 광학 출력 쪽으로, 즉 집광 및 시준 렌즈(210) 쪽으로 반사하도록 고도로 연마될 수 있는, 히트 스프레더(202)에 형광 본체(201)를 광학적으로 본딩하는 것이 유리하다. 또한, 형광 재료 내부에서 각각의 펌프 빔의 광 경로 길이(OPL)를 두 배로 늘리기 위해 HR 코팅의 대역폭을 펌프 파장으로 확장하는 것이 바람직하다. 펌프 빔의 광 경로 길이를 두 배로 늘리면, 흡수 계수(μα)가 낮은 형광 재료를 사용할 수 있거나, 주어진 값(μα)에 대해 더 얇은 형광 재료를 사용함으로써, 형광 본체(201)의 최대 두께의 감소에 의해 형광 본체(201)로부터의 열 부하의 제거를 개선할 수 있다. 예를 들어, μα=60.0cm-1의 흡수 계수를 가진 Ce:YAG 크리스탈 재료들이 이용될 수 있다. 나아가, HR 코팅에서 펌프 빔들의 반사는 히트 스프레더(202)에 형광 본체(201)를 결합시키는데 사용되는 재료(예, 솔더 또는 접착제)를 펌프 빔들이 저하시키는 것을 방지함으로써, 광원(200)의 신뢰성을 증가시킨다.
광원(200)의 단면 사시도를 도시하는 도 2c를 참조하면, 히트 스프레더(202) 아래에 있는 팬(212)의 위치를 볼 수 있고, 펌프 레이저 다이오드들(206)과 펌프 빔들(205A)의 위치를 더 상세히 볼 수 있다. 광원(200)의 분해 사시도를 도시하는 도 2d를 참조하면, 개별 컴포넌트들은, 펌프 레이저 다이오드들(206), 팬(212), 에어 디렉터(220), 히트 스프레더(202), 일체형 마운팅 베이스(203)를 가진 하우징(216)을 포함하고, 복수의 밀폐형 전기 피드스루들(215)이 하우징(216)에 제공된다. 환상 파라볼릭 미러(204)가 도시되고 고-반사 코팅(204A)의 위치를 볼 수 있고, 시준 렌즈(210)가 또한 도시된다.
위에서 언급한 바와 같이, 히트 스프레더(202)는 적절하게 선택된 열적 특성을 가진 단일 재료 또는 재료들의 스택으로부터 제조될 수 있고, 각각의 재료의 가장 중요한 특성은 열전도도(κ)(W/m/K로 표시됨) 및 선형 열팽창 계수(α)(종종 ppm/K로 표시됨)이다. 도 2a 내지 도 2e에 예시된 능동 냉각 시스템이 사용되는 경우, 에어 디렉터(220)도 선택될 수 있다. 재료(들)의 선택은, 기계적 응력 특히, 각각의 열팽창 계수(CTE)의 큰 불일치로부터 형광 본체(201) 및 히트 스프레더(202) 어셈블리의 뒤틀림(열 유도 곡률)을 방지하면서 열전도성이 높은 재료를 사용함으로써 형광 재료의 냉각을 선호하는 것을 목표로 한다. 따라서, 일부 실시예에서, 히트 스프레더는 CVD(화학 증착) 다이아몬드 플레이트(κ>1800 W/m/K)와 같은 매우 높은 열전도성 플레이트를 포함하는 스택들과 같은 상이한 재료들의 스택을 사용하여 구현된다. 형광 본체(201)와 히트 스프레더(202)는 예를 들어, 접착제(광학, 열, 열 전도성 등), 납땜 기술, 표면 접촉 기술, 본딩 기술(확산 본딩) 또는 열 전도성 페이스트와 같은 열 인터페이스 재료(TIM)들이 있거나 없는 기계적 클램핑을 사용하여 부착될 수 있다. 히트 스프레더(202)와 마운팅 베이스(203)는, 도시된 바와 같이, 인접한 열 전도성 재료로부터 제조될 수 있고, 또는 히트 스프레더(202)와 마운팅 베이스(203)는 열적으로 격리될 수 있다. 히트 스프레더(202) 및/또는 마운팅 베이스(203)는 수동적으로 또는 능동적으로 냉각될 수 있다. 대안적인 열 관리 방식에서, 수동 냉각은, 열 전도성 페이스트, 열 전도성 접착제, 열 패드 등과 같은 TIM을 사용하여 열적으로 결합될 수 있는, 히트 스프레더(202)와 마운팅 베이스(203) 사이의 열 전도성 경로에 의해 달성될 수 있다. 광원(200)의 능동 냉각은 에어 제트, 마운팅 베이스(203)의 하부로 유도되는 액체 제트, 또는 마운팅 베이스(203)의 하면에 열적으로 본딩된 액체 루프(loop) 쿨러를 통해 제공될 수 있다. 공기 또는 액체 유동을 위한 하나 이상의 캐버티(cavity)들은 마운팅 베이스(203) 내에 형성될 수 있고, 형광 본체(201)로부터의 열 전달을 최적화시키기 위해 형광 본체(201)의 후면까지 또는 그 근처로 연장될 수 있다. 광원(200)은, 마운팅 베이스(203), 하우징(216), 및 시준 렌즈(210)의 외부(볼록) 면을 포함하고, 밀폐형으로 밀봉될 수 있는 팩키징에 의해 환경 먼지 및 습기로부터 보호된다. 전기적 연결은 하우징(216)의 사이드 벽들의 어느 하나의 밀폐형 전기 피드스루(215)를 통해 이루어질 수 있다. 열전도성이 높은 기계적 연결은, 광원(200)으로부터 열을 수동적으로 제거하기 위해 마운팅 베이스(203)의 바닥의 편평한 표면에 제공될 수 있고, 이것은, 바람직하게 인터페이스의 열 저항을 감소시키기 위해 TIM 층을 사용하여, 마운팅 베이스(203)가 장착되는 외부의 히트 싱크를 제공함으로써 달성된다. 대안적으로, 마운팅 베이스(203)에 직접적으로 또는 형광 본체(201)의 하부 근처에서 연장되는 채널들을 통해 공기 또는 액체를 냉각하기 위해, 전술한 공기 또는 액체 냉각 장치들이 사용될 수 있다. 또한, "패시브" 쿨러는 강제 대류 또는 전도(예, 팬, 에어 제트 또는 순환 액체 냉각 시스템 등)를 사용하여 능동적으로 냉각될 수 있다. 도 2e는 팩키징이 완료된 광원(200)의 사시도를 도시한다.
본 개시의 다른 실시예에 따른 광학 광원(300)의 단순화된 개략도를 도시하는 도 3을 참조한다. 개시된 광학 광원(300)은 도 2a 내지 도 2e에 도시된 전술한 실시예보다 더 넓은 대역폭 또는 다중-파장 광학 출력을 제공하도록 구현될 수 있다. 대안적인 열 관리 구성에서, 광원(200)은 TIM 층(302)을 사용하여 히트 싱크(301)에 장착된다. 출력 시준된 형광 빔(303A)은 대역통과 또는 컬러 유리 필터와 같은 광학 필터(304)로 필터링된다. 결과적인 시준된 빔(303B)은 레이저, LED 또는 광원(200)과 유사한 다른 형광 광원과 같은 임의의 다른 발광 디바이스와 같은 이차(secondary) 광원(306)의 시준된 빔(305)과 결합된다. 이색성(dichroic) 빔 컴바이너 큐브(cube)와 같은 빔 컴바이너(307)는 광원(200)과 이차 광원(306)으로부터의 광을 결합한다. 부가적인 이차 광원들과 빔 컴바이너들(미도시)은 시준된 빔(303B)의 경로를 따라 부가될 수 있다. 최종적으로 결합된 시준된 빔(303C)은 직접 사용되거나 초점 렌즈(309)를 사용하여 스폿(308)에 초점을 맞출 수 있다. 광섬유 커플링이 필요한 응용 분야들에서, 광섬유의 입력 팁(미도시)은 섬유-커플링된 출력 파워를 최대화하기 위해 초점 스폿(308) 상에 정확하게 위치될 수 있다. 대안적으로, 본 명세서에 개시된 각각의 예시적인 실시예에서, 포커싱 디바이스, 예컨대, 포커싱 렌즈(309)는 파라볼릭 미러, 프레넬 렌즈, 또는 임의의 다른 굴절, 반사 또는 회절 광학 요소에 의해 제공될 수 있다. 초점 디바이스는 초점에서 형광 본체(201)의 펌핑된 위치의 이미지를 생성한다. 광 가이드의 입력 팁, 예컨대, 광섬유 면(face)은, 광원(200)의 출력 빔을 다른 디바이스/위치에 커플링하기 위해, 이미지 위치, 즉 형광 본체(201)의 펌핑된 위치의 이미지 평면과 일치하도록 만들 수 있다.
본 개시의 다른 실시예에 따른 광원(400)이 도시된 도 4를 참조한다. 광원(400)은 전술한 실시예의 광원(200)과 유사하지만, 소스 즉, 형광 본체(404)의 겉보기 위치를 패키지의 출력 윈도우(409) 근처의 위치로 이동시키기 위한 제2(바닥) 파라볼릭 미러(406)을 포함하고, 이것은 시준된 빔(405E)을 생성하기 위해 패키지 외부의 출력 형광 광을 집광하고 시준하는 시준 렌즈(420)를 위치시키는 것이 가능하다. 또한, 광원(400)은 도 5에 도시된 실시예를 참조하여 아래에 설명되는 것과 유사한 패키지의 상부 커버에서 직접적인 광섬유 결합이 가능하게 한다. 상부 파라볼릭 미러(401)와 바닥 파라볼릭 미러(406)는 서로 마주 보도록 배열된다. 상부 파라볼릭 미러(401)는 2가지 용도로 사용된다. 도 2a 내지 도 2e의 광원(200)에서와 같이, 상부 파라볼릭 미러(401)는 형광 재료로 형성된 형광 본체(404) 상에 각각의 펌프 레이저 다이오드(403)의 펌프 빔(402)의 초첨을 맞춘다. 도 2a 내지 도 2e의 광원(200)과 대조적으로, 상부 파라볼릭 미러(401)는 매우 작은 중앙 개구(401B) 및 펌프 빔 파장에 부가하여 형광 본체(404)에 의해 방출되는 광의 전체 대역폭(또는 선택된 서브-대역)을 반사하는 광학 코팅(401C)을 구비한다. 상부 파라볼릭 미러(401)의 제2 목적은 발산 형광 빔(405A)을 시준하는 것이다. 반사된 형광 빔(405B)은 시준되고 바닥 파라볼릭 미러(406)을 향해 유도된다. 바닥 파라볼릭 미러(406)는 형광 본체(404)가 위치되는 중앙 개구에 의해 제공된 작은 구멍(406A)을 구비한다. 특히, 형광 본체(404)는 작은 개구(406A)가 존재하지 않는 경우 바닥 파라볼릭 미러(406)의 정상이 위치될 곳에 위치된다. 작은 중앙 개구(401B)는 일반적으로, 도 4에 구체적으로 도시되지 않았지만, 도 2b의 안내 서클(guiding circle)(204B)에 의해 예시된 바와 같이, 상부 파라볼릭 미러(401) 상의 입사에서 펌프 빔들(402)의 원의 중간 점에 있는, 안내 서클의 직경의 20% 미만의 직경을 가질 것이다. 바닥 파라볼릭 미러(406) 내에 제공된 작은 개구(406A)의 직경은 일반적으로 작은 중앙 개구(401B)의 직경과 동일하다. 예를 들어, 작은 중앙 개구(401B) 및 작은 개구(406A)의 직경은 안내 서클의 직경의 10%일 수 있다. 바닥 파라볼릭 미러(406)는 각각의 펌프 빔(402)이 관통 유도되는 부가적인 구멍들(406B)을 포함한다. 명확성을 위해, 단지 하나의 펌프 레이저 다이오드(403) 및 대응하는 시준 렌즈(407)와 작은 개구(406A)가 도시된다. 실제로, 다수의 펌프 레이저 다이오드들(403)은 도 2b에 도시된 것과 유사한 배열로 시스템의 중앙 축 주위에 분포된다.
형광 빔(405B)은 바닥 파라볼릭 미러(406)에 의해 반사되어, 초점(408)을 향해 초점이 맞춰진 빔(405C)이 된다. 형광 본체(404)의 펌프된 발륨(volume)은 바닥 파라볼릭 미러(406)의 초점(408)에서 바닥 파라볼릭 미러(406)에 의해 이미징된다. 이미지는 밀폐형 패키지의 상부 커버(410)의 중앙에서 AR 코팅된 밀폐형 출력 윈도우(409)을 통해 투과되는 출력 발산 형광 빔(405D)의 소스를 제공한다. 전술한 바와 같이, 형광 재료(404) 하부의 광대역 HR 코팅은, 출력 발산 형광 빔(405A)에서 결합하기 위해 형광 본체(404)를 통해 역방향 형광(backward fluorescence)을 다시 방향 전환시킨다. 형광 본체(404)는 펌프 레이저 다이오드 홀더(412)의 중앙에서 형광 본체(404)를 지지하는 히트 스프레더(411)에 기계적으로 그리고 열적으로 커플링된다. 형광 재료(404)의 열 관리는 도 2a 내지 도 2e의 히트 스프레더(202)의 작동과 유사하고 동일한 방식으로 냉각될 수 있다. 밀폐형 패키지는, 도 3에 도시된 광원에서와 같이, 히트 싱크에 커플링된 사이드 벽들(416)과 열 전도성 베이스(417)에 의해 완성되고, 그렇지 않으면 직접적으로 냉각된다. 도 4의 광원(400)에서, 상부 파라볼릭 미러(401)와 바닥 파라볼릭 미러(406)는 인터페이스(418)에서 광학 UV-경화 접착제를 사용하여 함께 고정된다. 결과적인 이중-미러 어셈블리는 링(ring) 금속 스페이서(419)와 적절한 접착 재료에 의해 펌프 레이저 다이오드 홀더(412) 위에 장착된다.
예시적인 광원(400)에서, 상부 파라볼릭 미러(401)와 바닥 파라볼릭 미러(406)는, 배율, M=1을 가지고 반대편 파라볼릭 미러의 정상(summit)과 일치하는 파라볼릭 미러들(401,406)의 각각의 초점을 가진 형광 본체(404)를 이미지화하는 동일한 초점 길이를 구비한다. 상부 파라볼릭 미러(401)의 광학 코팅은, 첫째, 고출력 밀도 펌프 레이저 빔들(적어도 각각의 영역에서)을 효율적으로 반사하고, 둘째, 형광 본체(404)에 의해 방출되는 형광을 큰 입체각과 적절한 광학 대역폭에 걸쳐 효율적으로 반사하는, 2가지 목적을 가진다. 바닥 파라볼릭 미러(406)는 일반적으로 형광 본체(404)로부터의 형광 방출들을 포커싱하기 위해서만 사용된다. 결과적으로, 바닥 파라볼릭 미러(406) 상의 광학 코팅은 형광 방출의 대역폭 내에서만 광을 반사하도록 최적화될 수 있다. 광원(400)의 실시예들은 미러 어셈블리의 도시된 구성에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 광원(400)의 작동과 일치하는 다른 실시예들은 상부 파라볼릭 미러(401)와 하부 파라볼릭 미러(406)를 제공하기 위해 각각의 사이드 상에 적절한 코팅을 가진 양 사이드 상에 코팅된 단일의 양면-볼록 렌즈를 포함할 수 있다.
도 5는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 광원(500)을 도시한다. 도 5에 도시된 실시예는 도 4의 광원(400)과 유사하고(윈도우(409) 및 시준 렌즈(420)를 제외하고), 특히 출력 형광 빔의 콤팩트한 광섬유 커플링에 적합하다. 광섬유(502)의 입력 커넥터 팁(501)은 도 4에 도시된 바닥 파라볼릭 미러(406)의 초점(408)에서 정밀하게 정렬된다. 그러면, 형광 빔은 형광 광이 광섬유(502)의 출력 커넥터(503)를 빠져 나갈 때까지 광섬유(502) 속으로 그리고 광섬유(502)를 통해 안내된 후 출력 형광 빔(504)으로서 자유롭게 발산한다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 특별히 도시되고 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않으면서 전술한 것들과 다른 형태의 변경들 가능함을 이해할 것이다.
101A...광선 102...초점 F
103...준선 200...광원
201...형광 본체 202...히트 스프레더
203...마운팅 베이스 204...환형 파라볼릭 미러
205A...발산 펌프 빔 206...펌프 레이저 다이오드
207...렌즈 208...미러 마운트
210...시준 렌즈 211...개구
212...팬 216...하우징
220...에어 디렉터 221...캐비티
300...광원 301...히트 싱크
302...TIM 층 303A...형광 빔
305...시준된 빔 306...이차 광원
307...빔 컴바이너 308...스폿
309...포커싱 렌즈 400...광원
401...상부 파라볼릭 미러 403...펌프 레이저 다이오드
404...형광 본체 406...바닥 파라볼릭 미러
407...시준 렌즈 411...히트 스프레더
412...홀더 416...사이드 벽
419...금속 스페이서 420...시준 렌즈
500...광원 502...광섬유
501...입력 커넥터 503...출력 커넥터
504...출력 형광 빔

Claims (22)

  1. 광원(light source)으로서,
    여기(excitation) 파장에서 자극될 때 형광 특성을 갖도록 도핑된 물질로 형성되고, 방출 대역(emission band) 내에서 광을 방출하도록, 편평한 상면과 볼록한 하면을 가진 형광 본체(fluorescent body);
    집광 영역에 걸쳐 상기 본체에 의해 방출되는 광의 적어도 일부를 집광하여 시준된(collimated) 출력 빔을 생성할 수 있도록 구성된 시준(collimating) 디바이스;
    상기 형광 본체를 향하는 초점 축을 갖도록 위치되고, 집광 영역이 방해받지 않도록 상기 집광 영역의 외부에 배치된 반사 표면들을 가진 하나 이상의 미러(mirror)들; 및
    하나 이상의 광학 경로들을 따라 상기 하나 이상의 미러들로 향하는 하나 이상의 출력들을 가진 여기 광을 상기 여기 파장에서 제공하기 위한 하나 이상의 광원들을 구비하고,
    상기 하나 이상의 미러들은 상기 본체에 의해 방출되는 광의 방출을 자극하기 위해 상기 하나 이상의 광원들에 의해 제공되는 실질적으로 모든 여기 광을 상기 본체에서 유도시키는, 광원.
  2. 청구항 1에서,
    상기 하나 이상의 미러들은 상기 본체로 향하는 초점 축을 갖도록 위치된 파라볼릭 미러로 구성되고,
    상기 하나 이상의 광원들의 하나 이상의 출력들은, 상기 파라볼릭 미러의 초점 축에 평행한 방향을 가진 하나 이상의 대응하는 광학 경로들을 따라 상기 파라볼릭 미러를 향하는 출력들을 가지고,
    상기 파라볼릭 미러는 상기 본체에 의해 방출되는 광의 방출을 자극하기 위해 상기 본체에서 상기 하나 이상의 광원들에 의해 제공되는 실질적으로 모든 여기 광의 초점을 맞추는, 광원.
  3. 청구항 2에서,
    상기 파라볼릭 미러는 상기 본체에 의해 방출되는 광의 일부를 통과시키기 위한 중앙 개구를 포함하고,
    상기 시준 디바이스는 상기 파라볼릭 미러의 상기 중앙 개구에 위치되어 상기 본체에 의해 방출되는 광의 적어도 일부를 집광하도록 구성된, 광원.
  4. 청구항 3에서,
    상기 파라볼릭 미러는 작은 중앙 개구를 가진 제1 파라볼릭 미러이고,
    상기 광원은 상기 개구의 외부에 있는 상기 제1 파라볼릭 미러에 입사되는 상기 본체로부터 방출되는 광을 반사시키도록 위치된 제2 파라볼릭 미러를 더 구비하고,
    상기 제1 파라볼릭 미러의 작은 중앙 개구를 빠져 나가고 상기 시준 디바이스에 의해 집광되는 상기 본체에 의해 방출되는 광의 일부를 증가시키기 위해, 상기 본체로부터 방출되는 광은 상기 제2 파라볼릭 미러 쪽으로 향하는, 광원.
  5. 청구항 4에서,
    상기 제2 파라볼릭 미러는 이미지 평면에서 상기 본체의 이미지를 포커스시키고,
    상기 광원은 상기 제2 파라볼릭 미러에 의해 생성되는 상기 본체의 이미지를 수신하기 위해 상기 이미지 평면에 위치된 입력 표면을 가진 광 도파관을 더 포함하는, 광원.
  6. 청구항 1에서,
    상기 본체의 편평한 상면은 상기 여기 광의 일부를 산란시키도록 거칠게 처리되어 있고,
    상기 여기 광의 일부는 상기 본체에 의해 방출되는 광과 결합되는, 광원.
  7. 청구항 1에서,
    상기 본체의 편평한 상면은 브류스터(Brewster) 각도보다 더 작은 입사각에 대해 상기 방출 대역 내에서 반사를 방지하고 상기 브류스터 각도와 그 주변에서 입사각에 대해 반사를 방지하는 반사-방지 코팅으로 코팅된, 광원.
  8. 청구항 1에서,
    상기 하나 이상의 광원들은 상기 본체를 향하는 상기 중앙 개구를 돌출하여 외부에서 상기 본체 주위에 원형 배열로 위치된 다수의 광원들인, 광원.
  9. 청구항 1에서,
    상기 하나 이상의 광원들과 상기 하나 이상의 미러들은, 상기 여기 광이 브류스터 각도와 실질적으로 동일한 각도로 본체 상에 입사되도록 위치되고,
    상기 하나 이상의 광원들은 횡(transverse) 편광을 가진 여기 광을 방출하고,
    상기 하나 이상의 광원들은 상기 여기 광이 상기 본체 상의 입사에서 p-편광되도록 회전 정렬을 가진, 광원.
  10. 청구항 1에서,
    상기 본체로부터 나오는 열을 제거하기 위해, 상기 본체의 볼록한 하면에 열적 및 기계적으로 결합된 히트 스프레더(heat spreader)를 더 구비하는, 광원.
  11. 청구항 10에서,
    상기 하나 이상의 광원들은 하나 이상의 레이저 다이오드들이고,
    상기 하나 이상의 레이저 다이오드들의 각각의 기판은 상기 히트 스프레더에 기계적으로 및 열적으로 본딩되는, 광원.
  12. 광원으로서,
    방출 대역에서 광을 방출하고, 여기 파장으로 자극될 때 형광 특성을 갖도록 도핑된 물질로 형성된 편평한 상면과 볼록한 하면을 가지고, 상기 편평한 상면이 상기 방출 대역에서 반사를 방지하는 반사-방지 코팅으로 코팅된, 본체;
    집광 영역에 걸쳐 상기 본체에 의해 방출되는 광의 적어도 일부를 집광하고 시준하도록 구성된 시준 디바이스;
    상기 본체를 향하는 초점 축을 갖도록 위치되고, 관통 형성된 중앙 개구에 의해 제공되는 집광 영역이 자신에 의해 방해받지 않도록 상기 집광 영역 외부에 배치된 반사 표면들을 가진 파라볼릭 미러;
    상기 중앙 개구의 외부에서 상기 본체 주위에 원형으로 배치되고, 여기 파장에서 여기 광을 제공하도록 구성된, 다수의 레이저 다이오드들; 및
    상기 본체로부터의 열을 제거하기 위해 상기 본체에 열적 및 기계적으로 결합되고, 상기 다수의 레이저 다이오드들의 각각의 기판이 기계적으로 그리고 열적으로 결합되는 히크 싱크를 포함하느 히트 스프레더를 구비하고,
    상기 다수의 레이저 다이오드들은 상기 파라볼릭 미러를 향하는 출력을 가지고, 상기 파라볼릭 미러는 상기 본체로부터 방출되는 광의 방출을 자극하기 위해 다수의 레이저 다이오드들에 의해 제공되는 실질적으로 모든 여기 광을 상기 본체에서 포커싱하고,
    상기 다수의 레이저 다이오드들과 상기 파라볼릭 미러는, 상기 여기 광이 브류스터 각도와 실질적으로 동일한 각도로 상기 파라볼릭 미러에서 입사되도록 위치되고,
    상기 다수의 레이저 다이오드들은 상기 파라볼릭 미러에서 상기 여기 광의 반사의 평면에 평행하게 향하는 접합(junction) 평면들을 가지고,
    상기 본체의 편평한 상면은 상기 여기 광의 일부를 산란하도록 거칠게 처리됨으로써, 상기 여기 광의 일부가 상기 형광 본체에 의해 방출되는 광과 결합되도록 구성된, 광원.
  13. 광 생성 방법으로서,
    여기 파장에서 자극될 때 형광 특성을 갖도록 도핑된 물질로 형성된 편평한 상면과 볼록한 후면을 가진 본체를 제공하는 단계;
    하나 이상의 광원들을 이용하여 상기 여기 파장과 실질적으로 동일한 파장을 가진 하나 이상의 여기 빔들을 생성하고, 하나 이상의 미러들을 사용하여 상기 여기 빔들을 상기 본체로 향하게 하고, 상기 본체가 방출 대역에서 광을 방출시킬 수 있도록 상기 본체를 자극하는 단계; 및
    시준 디바이스를 이용하여 상기 본체에 의해 방출되는 광의 적어도 일부를 집광하고 시준하여 시준된 출력 빔을 생성하는 단계를 포함하는, 광 생성 방법.
  14. 청구항 13에서,
    상기 하나 이상의 미러들은 상기 본체로 향하는 초점 축을 가진 파라볼릭 미러이고,
    상기 하나 이상의 광원들의 출력들은 상기 파라볼릭 미러의 초점 축에 평행 한 방향을 가진 하나 이상의 광학 경로들를 따라 상기 파라볼릭 미러로 향하는 출력들을 가지고,
    상기 파라볼릭 미러는 상기 하나 이상의 광원들에 의해 제공되는 실질적으로 모든 여기 광을 상기 본체에서 포커싱하는, 광 생성 방법.
  15. 청구항 14에서,
    상기 파라볼릭 미러는 상기 본체에 의해 방출되는 광의 일부를 통과시키기 위한 중앙 개구을 포함하고,
    상기 집광은 상기 파라볼릭 미러의 상기 중앙 개구에서 상기 본체에 의해 방출되는 광의 적어도 일부를 집광하도록 위치된 시준 디바이스에 의해 수행되는, 광 생성 방법.
  16. 청구항 15에서,
    상기 파라볼릭 미러는 제1 파라볼릭 미러이고,
    상기 방법은, 상기 개구의 외부의 상기 제1 파라볼릭 미러에 입사되어 제2 파라볼릭 미러로 향하는 상기 본체로부터 방출되는 광을 반사시켜서, 상기 제2 파라볼릭 미러와 함께 집광 렌즈에 의해 집광되는 상기 본체에 의해 방출되는 광의 일부를 증가시키는 단계를 더 포함하는, 광 생성 방법.
  17. 청구항 16에서,
    상기 제2 파라볼릭 미러를 이용하여 이미지 평면에서 상기 본체의 이미지를 포커싱하는 단계; 및
    상기 이미지 평면에 위치된 입력 표면을 가진 광 도파관을 이용하여 상기 제2 파라볼릭 미러에 의해 생성되는 상기 본체의 이미지를 수신하는 단계를 더 포함하는, 광 생성 방법.
  18. 청구항 13에서,
    상기 본체의 편평한 상면은 상기 여기 광의 일부를 산란시키도록 거칠게 처리되어, 상기 여기 광의 일부가 상기 본체에 의해 방출되는 광과 결합되는, 광 생성 방법.
  19. 청구항 13에서,
    상기 본체의 편평한 상면은, 브류스터 각도보다 더 작은 입사각들에 대해 방출 대역에서 반사가 방지되고 상기 브류스터 각도와 그 주변의 입사 각도에서 여기 대역에서 반사가 방지되는, 반사-방지 코팅으로 코팅되는, 광 생성 방법.
  20. 청구항 13에서,
    상기 하나 이상의 광원들은 상기 본체를 향하는 상기 중앙 개구를 관통하여 그 외부에서 상기 본체 주위에 원형 배열로 위치된 다수의 광원들인, 광 생성 방법.
  21. 청구항 13에서,
    상기 여기 광이 브류스터 각도와 실질적으로 동일한 각도로 상기 본체 상에 입사되도록 상기 하나 이상의 광원들과 상기 하나 이상의 미러들을 배치하는 단계; 및
    상기 여기 광이 상기 하나 이상의 미러들 상의 입사에서 p-편광되도록 상기 하나 이상의 광원들을 회전되게 정렬하는 단계를 더 포함하고,
    상기 하나 이상의 광원들은 횡 편광을 사용하여 여기 광을 방출하는, 광 생성 방법.
  22. 청구항 13에서,
    상기 본체로부터 열을 제거하기 위해 상기 본체의 볼록한 하면에 열적 및 기계적으로 결합되는 히트 스프레더를 제공하는 단계를 더 포함하는, 광 생성 방법.
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