专利名称：具有可配置强度分布的激光器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列的激光器装置。垂直腔面发射激光二极管是最有希望的激光源之一旦与边发射器相比提供很多优势，比如可寻址的2D-阵列布置、在片测试和圆形光束形状。
背景技术：
已知小面积氧化物限制VCSEL发射高斯模式。较高的输出功率能够通过较大的有源区域实现，但是发射变化为由傅立叶模式最佳地描述的分布。激光光束的近场填充激光器的整个泵浦有源区域或发射区域，该区域例如由氧化物孔径的形状、质子注入的形状、台面形状或激光二极管的接触几何结构的形状确定。因而有可能通过适当地设置这些形状在 大面积VCSEL的近场中产生不同形状的強度分布，比如方形、圆形、椭圆或花瓣形状。对于尤其是材料处理或医学应用中的很多激光应用，在工作平面中需要特定強度分布，例如，顶帽圆形或矩形形状、线或环结构。一些应用要求沿着线方向尤其具有极好均勻性的均勻线形强度轮廓(profile)。实例是使用高达I. 5m且仅几个mm厚的激光线的专业打印机中墨水的干燥。能够应用由ー个或若干透镜阵列以及至少ー个傅立叶透镜组成的光束均化器，以将激光束成形为所需的強度分布，但是其必须在光束中小心地对准。再者，由于激光光束的相干性，可能出现不希望的假像。C. Singh等人在2004年12月9日至11日在嘻拉拉邦的科钦(Cochin)科学技术大学举行的第17届光电子、光纤和光子学国际会
议上的文章 LTff-P2- “Simulation and optimization of the intensity profile of
an optical transmitter for high-speed wireless local area networks” 公开 J 具有优化强度轮廓的基于垂直腔面发射激光器阵列的多光束发射器。使用具有高斯强度轮廓的小面积VCSEL和阵列前方的特定矩阵型衍射元件，工作平面中各个VCSEL的強度分布部分地叠加以在工作或接收器平面中实现均匀的强度分布。在已知的激光器装置中，必须使用且小心对准特定光学器件以在工作平面中产生所需的强度分布。再者，在不替代激光器前方的整个光学器件的条件下，该强度分布不能切换到不同形状。这要求用于这种激光器的每ー个应用的量身定制的系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光器装置，其允许在工作平面中产生所需强度分布而无需针对该强度分布或光束轮廓专门设计的光学器件。该目的使用根据权利要求I的激光器装置实现。激光器装置的有利实施例是从属权利要求的主题且在说明书的后续部分中描述。所建议激光器装置包括若干大面积VCSEL的阵列以及一个或更多光学器件，该ー个或更多光学器件设计且布置为将所述阵列的VCSEL的有源层成像到工作平面，使得阵列的所有VCSEL或VCSEL子组的有源层发射的激光辐射在工作平面中叠加。由于VCSEL的有源层到工作平面的这种成像，每个VCSEL的近场强度分布的图像在工作平面中叠加，优选地，近场强度分布的中心轴或中心在工作平面中一致或几乎一致。在本上下文中，成像有源层的特征并不一定意味着产生锐利图像。有源层的成像也可以导致工作平面中的非锐利图像。大面积VCSEL是激光发射由傅立叶模式主导的VCSEL。这种大面积VCSEL典型地具有彡80 μ m2、优选地彡300 μ m2的发射面积。不象小面积VCSEL，因为大面积VCSEL的近场强度分布能够由VCSEL的发射区域或发射孔径的几何形状确定，工作平面中叠加的场强度分布由这些形状确定。因而，为了实现所需的强度分布，仅需要提供具有相应形状的发射区域或发射孔径的VCSEL。因而仅通过提供具有不同形状的发射区域或发射孔径的VCSEL，能够使用相同的光学器件在工作平面中产生不同强度轮廓。VCSEL阵列能够在具有关于几何參数的高精度的晶片级制造。因此，能够高可靠地和可重复性地制造具有所需强度轮廓 的激光器装置。本发明因而建议使用大面积VCSEL的属性来创建激光辐射的调适的強度分布。若干VCSEL的近场在所需的工作距离成像。近场强度分布能够由氧化物孔径的形状、质子注入的形状、台面的形状或VCSEL的接触几何结构的形状设置。相应的形状被调适到所需的強度分布，例如方形、矩形、圆形、椭圆形等。使用光学器件，激光的图像在工作平面中交叠。光学器件能够包括准直来自单个激光器的发射的ー个或若干微透镜阵列，和在工作平面中聚焦总激光辐射的一个或更多透镜，以及改变或成形激光光束的其他光学元件。阵列可以包括具有相同形状的近场强度分布的VCSEL或VCSEL的子组，这些近场强度分布然后在エ作平面中交叠以提供具有该形状的強度分布。阵列还可以包括具有不同形状的近场强度分布的VCSEL或VCSEL的子组，这些強度分布然后在工作平面中交叠以提供通过不同形状的叠加确定的强度分布。在有利实施例中，激光器装置包括独立可切換的至少第一和第二垂直腔面发射激光器的阵列。第一 VCSEL设计为发射在近场中具有第一形状的强度分布的激光光束。第二VCSEL设计为发射在近场中具有不同于第一形状的第二形状的強度分布的激光光束。通过使用具有不同形状的近场强度分布的VCSEL的可寻址阵列，通过调节经过不同VCSEL的驱动电流，能够电学地切换且成形工作平面处的光束轮廓。这允许以简单的方式切換工作平面中的激光光束轮廓。取决于该实施例的旨在应用，阵列最小可以包括两个不同的VCSEL，即在近场中具有不同形状的強度分布的两个VCSEL。工作平面中光束轮廓的形状能够在仅操作两个VCSEL之ー时在这两种形状之间切換，或者在同时操作两个VCSEL时切换到这两种形状的混合。很明显也可以使用第一和第二 VCSEL中的ー个以上的VCSEL以增加激光器装置的输出功率。所有这些VCSEL可以是独立可切换或分组可切换的，例如，一种类型的所有VCSEL和第二类型的所有VCSEL。为了增加工作平面中的強度分布的可能形状，优选地，在阵列中提供第三且甚至其他VCSEL，第三和其他VCSEL在近场中具有与第一和第二形状不同且彼此不同的強度分布形状。工作平面中所得的強度分布由同时操作的VCSEL的形状和光学器件的放大率确定。在激光器装置的另ー实施例中，提供具有匹配所需强度分布的发射区域形状的η个大面积VCSEL以及靠近每个VCSEL安装的η个微透镜以及另外的m个场透镜(n=a*m)以叠加VCSEL的n/m个子组中每个子组的图像，其中a=2，3，4，···。该实施例中所得的強度分布是m个光斑,姆个光斑由在相应时间操作的姆个子组的VCSEL的形状和放大率确定。因而，在该实施例中，在每个子组上平均化強度分布。每个子组的所有VCSEL可以通过控制单元共同切换而与其他子组的VCSEL无关。不过，还可以共同切换阵列的所有VCSEL或者附加地允许子组的每个VCSEL的各自调光和/或切換。在激光器装置的另一有利实施例中，光学器件被设计且布置为对并排的激光器的相邻子组的有源层进行成像，从而在工作平面中产生连续激光线。由每个子组形成的叠加图像接触或稍微交叠以形成连续线。优选地，在这种情况中，每个子组的激光器设计为发射在近场中具有矩形或类似平行四边形形状的強度分布的激光光束，在将要形成的线的方向(称为第一方向或X方向)中比在线宽度(line thickness)的方向(称为第二方向或y方向)中具有更长延伸。在y方向中，需要强聚焦，同时很多独立层的强度轮廓的强平均化和交叠是优选的。为了实现在X方向中具有例如>lm的大延伸且在y方向中仅具有例如<5mm的小延伸的连续激光线，可以采取若干措施，这些措施还可以组合
一 y方向中的发射区域的小尺度和X方向中的大尺度，这对于具有细长形状，例如具有纵横比大于2:1的矩形形状(或者也可以是平行四边形形状、不规则四边形、三角形，···)的VCSEL是可能的；
一 y方向和X方向中各个VCSEL的中心之间的不同节距(=距离)；
一通过使用2个圆柱形透镜阵列在两个方向中的不同焦距，这两个圆柱形透镜阵列相对于彼此旋转90°，且布置在到激光器的距离等于该阵列的焦距除以激光器和透镜之间材料的折射率的距离处。在激光器装置的另ー实施例中，光学器件包括微透镜的阵列，所述微透镜具有细长孔径，尤其是椭圆或矩形孔径，在第一方向中具有比在垂直于第一方向的第二方向中更长的延伸。在激光器装置的另ー实施例中，光学器件包括在激光器和工作平面之间前后布置的圆柱形微透镜的第一和第二阵列，第一阵列的圆柱形微透镜取向为其圆柱轴垂直于第一方向，第二阵列的圆柱形微透镜取向为其圆柱轴垂直于第二方向，第二方向垂直于第一方向，并且具有不同于第一阵列的圆柱形微透镜的焦距，从而允许在第二方向中比在第一方向中更强的激光辐射的聚焦。在激光器装置的另ー实施例中，圆柱形透镜的阵列布置在微透镜阵列和工作平面之间，使得在第一方向中实现阶梯状强度轮廓。在激光器装置的另ー实施例中，光学器件包括微透镜的阵列，所述微透镜具有细长孔径，尤其是椭圆或矩形孔径，其在相对于第一方向>0°且<45°之间的角度具有较长延伸。在激光器装置的另ー实施例中，光学器件包括在激光器和工作平面之间前后布置的圆柱形微透镜的第一和第二阵列，第一阵列的圆柱形微透镜取向为其圆柱轴与第一方向具有>45°且〈90°之间的角度，第二阵列的圆柱形微透镜取向为其圆柱轴与第二方向具有彡45°且〈90°之间的角度，第二方向垂直于第一方向，并且具有不同于第一阵列的圆柱形微透镜的焦距，以允许在第二方向中比在第一方向中更强的激光辐射的聚焦。在交叠叠加的图像的情况中，设计每个子组的激光器以发射在近场中具有不同尺度的矩形形状的激光光束是有利的，所述尺度被选择为在工作平面中产生具有恒定中心部分和阶梯状递减边缘的叠加强度轮廓。这允许沿着线具有恒定强度的连续线的产生。代替产生连续线，每个子组的适当形状的叠加图像也可以在工作平面中以2维方式并排投影、接触或彼此稍微交叠，从而形成所需尺度和形状的连续区域。产生连续激光线的这种激光器装置能够用于打印、卷对卷制造エ艺以及在垂直于线方向的方向中在加热线下经过的其他对象。实例是打印机中干燥线的产生，用于涂层、胶水的干燥/硬化，或者用于层压、用于有料焊接(soldering)或塑料焊接或用于半导体退火。其他应用是金属或塑料的加热、脱毛、皮肤治疗或生产中胶水和油漆的干燥。在一个实施例中，VCSEL阵列前方使用的光学器件包括微透镜的阵列以及微透镜阵列前方的ー个或若干近场透镜，每个微透镜定位在相应VCSEL的前方且与之靠近。光学器件可以包括用于阵列的所有VCSEL的相同放大率，但是也可以针对阵列的不同子组提供不同的放大系数。用于阵列的各个子组的不同放大系数例如可以通过微透镜到有源层的不同半径和距离实现。
在另ー实施例中，光学器件可以包括靠近每个VCSEL安装的微透镜阵列，其中到有源层的距离和微透镜的焦距选择为将VCSEL的形状成像到工作平面。微透镜相对于中心VCSEL轴或光束轴的离轴安装允许在工作平面中叠加阵列或阵列的相应子组的所有图像。为了进一步影响工作平面中的強度分布，光学器件可以设计为使得在工作平面中形成在VCSEL的近场中的非锐利图像的強度分布。这可以通过调适微透镜的半径或距离实现，且得出用于相应子组或阵列的模糊的(smeared out)且平滑的強度分布。这还允许正常顶帽强度分布的进ー步修改。通过在VCSEL阵列的VCSEL的不同组合之间进行切换获得工作平面中強度分布的几何形状的切換。这可以通过单独切换单个VCSEL或通过在VCSEL的不同子组之间进行切换实现。因此，通过VCSEL或子组的单独电学寻址，能够在工作平面中产生不同強度分布。还可以连续调光单个VCSEL或子组。结果是所需强度轮廓的调节中的极大自由度。
在下文中，结合附图通过实例的方式描述所建议激光器装置，而不限制如权利要求所限定的保护范围。附图示出
图I :VCSEL的近场强度分布的形状的两个实例；
图2 :所建议激光器装置的第一实施例的示意 图3 :所建议激光器装置的第二实施例的示意 图4 :所建议激光器装置的第三实施例的示意 图5 :所建议激光器装置的第四实施例的示意 图6 :所建议激光器装置的第五实施例的示意 图7 :阵列的VCSEL的发射区域的实例性形状；
图8 :工作平面中的实例性強度分布；
图9 :具有光学器件的堆叠激光器模块和中间模块的强度轮廓的实例；
图10 :通过堆叠6个激光器模块产生激光线的实例；
图11 :不同光束轮廓的堆叠以及未对准对于累积强度(integrated intensity)的影响；
图12 :所建议激光器装置的另ー实施例的示意 图13 :用于产生阶梯状累积强度轮廓的矩形形状的交叠的实例； 图14 :所建议激光器装置的另ー实施例的示意 图15 :所建议激光器装置的另ー实施例的示意 图16 :所建议激光器装置的另ー实施例的示意 图17 :所建议激光器装置的另ー实施例的示意 图18 :所建议激光器装置的另ー实施例的示意图；以及 图19 :所建议激光器装置的另ー实施例的示意图。
具体实施例方式近场中大面积VCSEL的强度分布能够由VCSEL的氧化物孔径的形状、质子注入的形状、台面的形状或VCSEL的接触几何结构的形状设置。图I示出使用不同形状的氧化物孔径实现的近场中的这种强度分布的两个实例。在左手边，圆形形状是通过圆形氧化物孔径实现的。在右手边的花瓣形强度分布是通过具有相同形状的氧化物孔径实现的。两个实例的強度轮廓是相当均匀的，且具有仅稍微被干涉图案(在图中未示出)调制的用于大角度傅立叶模式的鋭利边缘。在所建议激光器装置中使用具有上述两种形状的氧化物孔径的两个大面积VCSEL，通过仅在两个VCSEL之间进行切換，有可能在工作平面中在这两种形状的强度轮廓之间切换強度分布。当同时操作两个VCSEL时，实现两个叠加的强度轮廓的強度轮廓。取决于在阵列中使用的VCSEL的泵浦区域的形状，仅通过各个VCSEL的适当电学控制，能够使用所建议激光器装置产生多种不同形状的强度轮廓。工作平面中不同形状的强度轮廓之间的切换不需要VCSEL阵列的前方的光学器件的任何改变。图2以示意图示出所建议激光器装置的实施例。激光器装置由单片集成在衬底102上的大面积VCSEL 101的阵列组成。激光的发射使用微透镜阵列201准直，其中VCSEL的有源层和微透镜之间的距离401等于这些微透镜的有效焦距。第二透镜202在工作平面501上组合在等于其焦距的距离402中的图像。图像的放大率通过微透镜和第二透镜202的焦距的比例设置。单个VCSEL的发射区域的形状确定了工作平面501中的强度轮廓。通过适当地选择这些VCSEL的形状，能够在工作平面中产生所需的强度轮廓。另外，当将VCSEL阵列的至少两个VCSEL 101选择为具有不同形状的氧化物孔径或导致近场中不同形状强度分布的其他特征，并且是独立可切换时，这两个强度分布之间的切換能够通过在这些激光器之间进行切換实现。在根据图3的所建议激光器装置的另ー实施例中，第二透镜集成在包括微透镜的衬底203上。如在图3中针对两个激光器装置实例性示出，这种配置还允许若干激光器装置的堆叠。整个激光器装置则包括VCSEL 101的两个子组。用于每个子组的近场光学器件将其VCSEL的強度分布成像到工作平面501处不同于其他子组位置的ー个位置。通过独立寻址每个子组，例如可以实现打印应用。图4示出其中使用啁啾的微透镜阵列204的所建议激光器装置的另ー实施例。该啁啾的微透镜阵列具有单个透镜之间的节距，该节距稍小于VCSEL阵列的VCSEL 101之间的节距。距离403使得每个微透镜在距离404中成像ー个激光。由于啁啾，工作平面中的所有图像交叠到单个图像511，且强度分布由所有近场的总和给出，其是稍微模糊的，因为图像并不位于平行平面上。图5示出所建议激光器装置的另一实施例。在该实施例中，微透镜阵列205通过键合肓接安装在激光器衬底102上。使用该措施，因为可以通过晶片级工艺完成制造，对准努力和成本减小。在所建议激光器装置的甚至更多样化的实施例中，提供形状不同且可选地大小也不同的发射区域的VCSEL的若干子组111至114，其可以通过控制单元601单独寻址。通过调节不同子组的功率水平，能够设置工作平面中的所需强度分布520。在该实例中，子组111至114中的不同VCSEL的泵浦区域的形状在图7中示出。附图示出泵浦区域的4种不同的形状121至124，以及因而VCSEL的近场中强度分布的不同形状。使用该实例，能够实现从在顶帽分布522上的阶梯高斯状分布521变化到浸溃的顶 帽523的圆形光束轮廓，在中心区域中具有较少的或甚至没有强度(见图8)。工作平面520中的这些不同的强度分布521至523仅能够通过适当地控制不同子组111至114实现。当然，通过选择方形或矩形、圆形或椭圆形泵浦区域以及这些形状的VCSEL的发射区域，其他并且更复杂的强度图案是可能的。而且，很多其他形状对于大直径激光器工作非常良好。为了改善阵列的不同VCSEL的控制，能够测量源于每个子组的功率水平且将其供应到控制单元的反馈环路。例如可以通过时间复用或通过分裂每个光束的一小部分测量功率水平。使用该措施，能够精确地控制工作平面中的强度分布。用于激光的一些应用要求均匀线形强度轮廓，其意味着具有高边长比的顶帽矩形轮廓。应用能够是金属或塑料的加热、脱毛、皮肤治疗或生产中胶水和油漆的干燥。从具有衍射光学元件(DOE)的高功率激光器形成的激光线在有用大小方面以及另外在均匀性方面存在限制。另外，在不改变DOE的条件下，这种装置无法按比例缩放。从光纤耦合二极管激光器条形成的激光线具有非常苛刻的调节容差且十分昂贵。使用根据本发明的装置，能够以简单方式产生这种激光线。用于该任务的激光器装置的阵列包括VCSEL的很多相邻子组。每个子组创建作为激光线的一部分的激光辐射的均匀强度分布。在这种情况中，阵列的单个子组可以由各个激光器模块103形成，每个模块包括VCSEL的阵列。工作平面中强度分布524的尺度X2和y2由激光器模块103的激光器发射区域的大小和形状、每个激光器前方的微透镜的焦距、以及宏观透镜206 (见图9)的焦距确定。X2应当大于一个激光器模块103的长度X1，使得轮廓能够彼此在旁边堆叠，形成连续激光线525，如针对6个激光器模块103在图10中所示。这允许闭合堆叠的激光器模块103之间的缝隙，这对于电连接、冷却和光学器件底座等是必须的。强度或更精确而言在y方向中的累积强度的均匀性对于实现工作件上的均匀温度轮廓是十分重要的。因为具有陡峭边缘的强度轮廓需要用于堆叠的苛刻调节容差，优选地产生允许更大容差的特定强度轮廓。这能够是在X方向中具有阶梯状边缘的平行四边形强度轮廓或矩形轮廓(关于强度)，因为强度分布中的交叠峰值或空洞在X方向中在较长距离上被模糊化。这在图11中实例性示出，其中对于简单矩形和平行四边形强度轮廓526，示范了不同光束轮廓526 (工作平面中的强度分布)的堆叠和未对准对于累积强度的影响。能够使用不同的技术实现沿着激光线的均匀强度分布。第一技术是使得VCSEL的发射区域形成为平行四边形(或三角形)，这在制造VCSEL阵列时在晶片的处理期间容易完成。很多VCSEL 101在一个衬底102上组合。由于大面积VCSEL 101的特定属性，发射区域被均匀地填充。每个激光器的光通过具有的焦距401为的微透镜阵列201而被准直，且然后激光器模块的近场成像在具有的焦距402为f2的透镜202的焦平面上，如图12所示。单个激光器的发射面积乘以放大率M=f2/fi必须大于在X方向中的激光器模块的大小，以使模块之间缝隙闭合。通过在具有不同焦距fx和fy的两个圆柱形透镜中分离透镜202(例如见图9和10)，y方向中的光束的大小能够更大或更小(优选地对于细线而言更小)。激光线525的长度通过彼此相邻堆叠很多激光器模块设置。第二技术是通过交叠在X方向中具有不同长度％的矩形发射区域的很多激光器，产生具有阶梯状边缘的强度分布。为了有利于电学驱动器，所有激光器应当具有相同大小的发射区域，即Bi . bi=常数，且因此具有相同的阈值电流和电压曲线。在图13中给出了一个实例。具有不同边长％和bi但是具有相同发射区域大小A=^bi的不同矩形形状的发射区域701的VCSEL的近场的图像在工作平面中交叠(见交叠强度分布527)。y方向中的 累积强度则是阶梯状轮廓，阶梯的阶梯高度I等于IDjNjIsingle,其中Ni是具有该形状的单个激光器的总数，且Isingle是一个激光器的强度。差值Aai=ai-ai+1对于所有i应当是相等的。通过将数目Ni的比例与长度bi=A/ai的比例进行匹配，能够在所有位置实现相同的强度阶梯。在第二技术的变型中，通过交叠在X方向中具有不同长度且具有相同长度b的矩形发射区域的很多激光器，形成具有阶梯状边缘的强度分布。这导致具有较平滑边缘的激光线。在这种情况中，为了获得用于驱动激光器的相同的阈值电流和电压曲线，选择具有相同大小的电学并联发射区域的激光器组以及每一组的激光器的数目，使得每一组具有相同大小的总发射面积，该总发射面积是每一组的激光器的发射面积的总和。例如，每个均具有大小为A1的发射面积的10个激光器的组并联连接，每个均具有大小为A2的发射面积的12个激光器的组并联(A2=SZ^A1),等等。在下文中，描述用于产生连续激光线的所建议激光器装置的其他实施例。这些实施例的基本构成包括
-VCSEL 101的阵列，其能够是焊接在阵列配置、单片VCSEL阵列或若干单片VCSEL阵列中的独立VCSEL ；
一微透镜阵列201，207，208，具有位于每个VCSEL 101前方的透镜以准直从该VCSEL发射的辐射；以及
一圆柱形透镜(第二透镜202)，以将辐射向下聚焦到工作平面501的工作距离中的所需线宽度D上。线宽度D由D=CWyf1确定，d是在y方向中各个VCSEL的尺度，f:是微透镜的焦距，以及f2是圆柱形透镜的焦距。微透镜的焦距由VCSEL的发散角0和两个独立VCSEL的中心之间的节距P (=距离)限制，因为它们的辐射在微透镜的平面中不交叠。各个微透镜的孔径理想地等于节距或稍小。为了同时实现窄线和大工作距离，VCSEL的尺度d应当小且VCSEL之间的节距p应当大以允许大焦距f\。为了实现焦点中的高强度，若干VCSEL在由第二透镜的开口限定的y方向中堆叠。在X方向中，情况完全不同。为了获得较不依赖于各个激光器的故障或激光器或光学器件的未对准的均匀强度分布，希望在激光线上每一点中交叠尽可能多的激光器的辐射。因此，在微透镜阵列之后希望大发散角，这意味着在X方向中的VCSEL的大尺度I和允许小节距的短焦距。使用由具有圆形或二次型(quadratic)孔径的球形透镜组成的微透镜阵列，对于两个方向，节距和焦距必须相同，但是VCSEL的尺度可以不同。这种实施例在图14中示出，其中图14A表示在y方向中的视图，图14B表示在X方向中的视图。如在图2的实例中，激光器装置由单片集成在衬底102上的大面积VCSEL 101的阵列组成。激光器的发射使用微透镜阵列201准直，其中VCSEL的有源层和微透镜之间的距离401等于这些微透镜的有效焦距。在该实例中，第二透镜202是组合了在工作平面上等于其焦距的距离402处图像的圆柱形透镜。对于给定工作距离，圆柱形透镜(第二透镜202)的焦距f2固定。激光线525的所需线宽D则给出比例(Vf1或d/p。由于热原因，小d和小节距p的组合是优选的，但是d应当大于10 y m以获得近场中的均匀强度轮廓。对于微透镜的给定节距p或者直径，VCSEL的另一尺度I做得尽可能大(见图14A)，使得辐射在X方向中填充微透镜的整个孔径。在y 方向中，并不使用透镜的全部孔径(见图14B)。这能够通过使用具有相同焦距但是其长轴取向在X方向中的椭圆或矩形孔径的微透镜优化。于是激光器的节距能够针对两个方向不同，与在X方向中的节距px相比，在y方向中具有较小的节距Py，使得发射在两个尺度中填充整个孔径。这导致在y方向中的较高数目的激光，因此导致激光器模块的较高的功率密度。这种实施例在图15中示出，其中图15A表示在y方向中的视图，图15B表示在X方向中的视图。在微透镜之后的发散角0’取决于VCSEL尺度和焦距的比例，发散角能够针对两个方向而不同。在y方向中，e’y=d/f应当小以允许在具有大工作距离的小线上的聚焦，而9 ’ x = Uf1应当大，以用于在X方向中各个激光光束的强混合。通过使用在两个方向中具有不同孔径的微透镜阵列，通过具有与VCSEL的大I相组合的大孔径ax和具有与VCSEL的小d相组合的小孔径ay实现这两个需求。VCSEL 101的细长设计和微透镜阵列201的微透镜的相关细长孔径能够在图15A/B中识别。在另一实施例中，如图16所示使用前后布置的2个圆柱形微透镜阵列207、208。图16A表不在y方向中的视图，图16B表不在X方向中的视图。第一阵列207的圆柱形微透镜垂直于第二阵列208的圆柱形微透镜取向。这允许针对两个方向的不同焦距(对应于不同距离405，406)且因此增加了设置发散角0'和e’y的可能性。如图16A/B所示，第一和第二圆柱形微透镜阵列207、208可以是两个独立的透镜阵列或者是在相对位置上具有透镜阵列的一个衬底。衬底的厚度由焦聚和中的差异除以衬底的折射率确定。
尽管在上述实施例中，微透镜的细长孔径的长轴取向在X方向中，且微透镜的交叉阵列的圆柱轴垂直或平行于X方向取向，这些轴也可以相对于X方向倾斜< 45°的角度(绕z轴旋转，垂直于X和y方向)。使用这种措施，能够沿着激光线产生特定强度分布。当使用激光器模块103时，由于例如VCSEL芯片的大小、底座、光学器件、热沉等制造或安装限制，将出现缝隙。如已经参考图9和10所解释，这些缝隙能够在强度轮廓中引入干扰均匀性的凹陷。在所建议激光器装置中，缝隙节距g(=缝隙周期)匹配于工作平面上各个激光器的强度轮廓在X方向中的大小1’，该大小由微透镜之后的发散角0 ’x以及激光器与工作平面之间的距离S近似给出。这在图17中示意性示出。对于长度l’=tan(0 ’)*S，缝隙节距g应当是I’ /N，N是任意整数。当仅仅在工作平面中精确地满足条件g=r时，强度轮廓将随着其远离工作平面而变得越来越不均匀。我们定义景深(depth of focus)为距工作平面的最大距离A z，在该距离中满足对于均匀性的需求。为了进一步提高均匀性、景深和对准容差，不同于矩形形状的VCSEL的形状被选择，以给出取代顶帽轮廓的平滑累积强度轮廓。这种形状已经结合图11描述。这些形状可以是例如平行四边形、不规则四边形、三角形、六边形或菱形。强度轮廓的肩部越大，对准容差和景深越大。图18中示出所建议激光器装置的另一实施例。在该实施例中，添加了在X方向中的C圆柱形透镜的阵列209，圆柱形透镜具有等于透镜阵列到工作平面的距离402的焦距f2，x。这在具有C个阶梯的边缘给出激光线525的阶梯状强度轮廓，其中C可以等于在X方向中激光器的数目Nx或等于Nx除以整数。在另一实施例中，圆柱形透镜的这种阵列209还可以倾斜(绕z轴旋转某一角度) 或被具有相同焦距和方形或矩形孔径的NyXC个圆柱形透镜的阵列替代(Ny是在y方向中的激光器的数目)。前一实施例中的各个透镜209分裂成Ny个部分，且在y方向中从VCSEL到VCSEL在X方向中稍微偏移。图19中示出所建议激光器装置的另一实施例。在该实施例中，使用啁啾的微透镜阵列204 (或等价的啁啾的激光器阵列)，使得仅透镜的1/K部分相对于激光器居中，K=NX/N(n=l, 2，3，…)。其他组微透镜相对于激光偏移不同距离，使得所有图像在工作平面上等距且激光器模块103之间的缝隙节距g导致的缝隙被闭合。所建议激光器装置的(多个)微透镜阵列可以安装在其上焊接了 VCSEL阵列的相同绝缘底座上的柱子上。所建议激光器装置的(多个)微透镜阵列也可以直接键合/焊接/胶合到VCSEL阵列。当使用激光器模块时，若干模块优选地安装在公共轨道上，该公共轨道包括通过公共轨道的冷却支撑。尽管在附图和上述描述中详细说明和描述了本发明，这种说明和描述被认为是说明性或实例性而非限制性的。本发明不限于公开的实施例。上面和权利要求书中描述的不同实施例还能够组合。通过对附图、公开内容和所附权利要求的学习，实践所主张的本发明的本领域技术人员能够理解且料想对公开实施例的其他变型。例如，阵列中使用的VCSEL和/或子组的数目没有限制。VCSEL可以设计为提供工作平面中需要的近场中的任意形状的强度分布。将要在工作平面中组合的不同形状的数目仅依赖于所需的应用。再者，为了实现近场中所需几何形状的强度分布的措施也不限于公开的实例。在权利要求中，用词“包括”不排除其他元件或步骤，且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中陈述措施这一纯粹事实并不表示这些措施的组合不能有利地使用。权利要求中的参考符号不应解读为限制这些权利要求的范围。参考符号列表
101VCSEL
102衬底
103激光模块 111-114 VCSEL 的子组 121-124近场中强度分布的形状201微透镜阵列
202第二透镜
203具有微透镜的衬底
204啁啾的微透镜阵列
205衬底上的微透镜阵列
206宏观透镜 207第一微透镜阵列
208第二微透镜阵列
209圆柱形透镜阵列
401有源层和微透镜之间的距离
402工作平面和第二透镜之间的距离
403有源层和微透镜之间的距离
404微透镜和工作平面之间的距离
405有源层和第一微透镜阵列之间的距离
406有源层和第二微透镜阵列之间的距离501工作平面
511工作平面中的图像
520工作平面中的强度分布521-524工作平面中的强度分布
525激光线
526光束轮廓
527交叠的强度分布601控制单元
701发射区域的形状。
权利要求
1.一种激光器装置，包括 一若干大面积垂直腔面发射激光器(101)的阵列，所述激光器(101)中的每一个包括发射激光辐射的有源层，以及 一一个或更多光学器件(201，202)，其设计且布置为将所述阵列的激光器(101)的有源层成像到工作平面(501 )，使得阵列的所有 激光器(101)或激光器(101)子组的有源层发射的激光辐射在工作平面(501)中叠加。
2.根据权利要求I所述的激光器装置， 其中所述激光器(101)中的至少一些设计为发射在近场中具有不同形状的强度分布(121-124)的激光光束，所述激光器(101)包括不同几何形状和/或不同直径的发射区域或发射孔径。
3.根据权利要求I所述的激光器装置， 其中所述阵列至少包括通过控制单元(601)独立可切换的第一和第二垂直腔面发射激光器(101)， 一所述第一激光器设计为发射在近场中具有第一形状的强度分布(121-124)的激光光束， 一所述第二激光器设计为发射在近场中具有不同于第一形状的第二形状的强度分布(121-124)的激光光束。
4.根据权利要求3所述的激光器装置， 其中所述阵列包括至少一个或若干其他垂直腔面发射激光器(101)，该激光器(101)通过控制单元(601)独立可切换且设计为发射在近场中具有与第一和第二形状不同的一个或若干其他形状的强度分布(121-124)的激光光束。
5.根据权利要求I所述的激光器装置， 其中所述光学器件(201，202 )包括微透镜(201)的阵列以及一个或若干场透镜(202 )。
6.根据权利要求I所述的激光器装置， 其中所述光学器件(201，202)包括微透镜(204)的阵列，所述微透镜相对于激光器(101)的光束轴离轴地布置。
7.根据权利要求I所述的激光器装置， 其中所述阵列包括η个垂直腔面发射激光器(101)且所述光学器件(201，202)包括η个微透镜以及m个场透镜(202)，其中n=a*m，a=2，3，…，每个微透镜布置在激光器(101)的前方且每个场透镜(202)布置为将激光器(101)的子组的强度分布成像到工作平面，使得该子组的所有激光器(101)的所述强度分布在工作平面(501)中的某一位置叠加，不同子组的位置彼此不同。
8.根据权利要求I所述的激光器装置， 其中所述光学器件(201，202)设计为在工作平面(501)中产生有源层的非锐利图像。
9.根据权利要求I所述的激光器装置， 其中所述光学器件(201，202)设计且布置为成像并排的、优选地部分交叠的激光器(101)的相邻子组的有源层，从而在工作平面(501)中产生连续激光线(525)或激光区域，所述激光线(525)在第一方向中延伸。
10.根据权利要求9所述的激光器装置，其中每个子组的所述激光器(101)设计为发射在近场中具有细长形状、尤其是具有矩形或类似平行四边形形状的强度分布的激光光束，所述细长形状在第一方向中比在垂直于第一方向的第二方向中具有更大的延伸。
11.根据权利要求10所述的激光器装置， 其中每个子组的所述激光器(101)设计为发射在近场中具有不同尺度的矩形形状的激光光束，所述尺度选择为在工作平面(501)中产生具有恒定中心部分和沿着激光线(525)的阶梯状递减边缘的叠加累积强度轮廓。
12.根据权利要求I所述的激光器装置， 还包括用于控制每个激光器(101)子组的功率的控制单元(601)，和连接到控制单元(601)的测量单元，测量单元设计且布置为测量各个子组的功率水平以提供用于控制单元(601)的反馈。
13.根据权利要求10所述的激光器装置， 其中所述光学器件(201，202)设计为将每个子组的所有激光器(101)的有源层成像为在工作平面(501)的在第二方向中精确重叠，该第二方向垂直于第一方向。
14.根据权利要求I所述的激光器装置， 其中所述光学器件(201，202)设计为在垂直的各方向中提供不同放大系数。
15.根据权利要求10所述的激光器装置， 其中激光器(101)的所述子组或激光器(101)的所述子组的组在第一方向中通过缝隙彼此分离，且所述光学器件(201，202)设计为将每个子组的激光器(101)的有源层成像到工作平面(501)的第一方向中的图像大小，该图像大小是缝隙周期的整数倍。
全文摘要
本发明涉及包括若干大面积VCSEL(101)的阵列以及一个或若干光学器件(201，202)的激光器装置，该一个或若干光学器件(201，202)设计且布置为将所述阵列的VCSEL(101)的有源层成像到工作平面(501)，使得阵列的所有VCSEL(101)或VCSEL(101)子组的有源层发射的激光辐射在工作平面(501)中叠加。所建议激光器装置允许在工作平面中产生所需的强度分布，而无需针对该强度分布或光束轮廓专门设计的光学器件。
文档编号H01S5/42GK102742100SQ201080036805
公开日2012年10月17日 申请日期2010年8月16日 优先权日2009年8月20日
发明者H.明希, S.格罗嫩博恩 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司