ЛАЗЕРНЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ОДНОРОДНЫХ ЛИНЕЙНЫХ ПРОФИЛЕЙ ИНТЕНСИВНОСТИ
LASER MODULE FOR HOMOGENEOUS LINEAR PROFILES OF INTENSITY

Область техники изобретения
Настоящее изобретение относится к лазерному модулю, содержащему несколько подмодулей, размещенных бок о бок на общем носителе, причем каждый из упомянутых подмодулей содержит область лазера, образованную из одной или нескольких матриц полупроводниковых лазеров.
Во многих существующих и развивающихся областях применения нагревание с помощью полупроводниковых лазеров представляет собой предмет растущего интереса. Некоторые применения требуют использования однородных линейных профилей интенсивности, подразумевающих прямоугольные профили с высоким отношением длин сторон. Один пример представляет собой высушивание чернил в профессиональной печатной машине, требующее использования лазерной линии до 1,1 м в длину и только несколько миллиметров в ширину. Другие области применения представляют собой нагревание металла или пластиков, эпиляцию, уход за кожей или высушивание клея и краски при изготовлении.
Уровень техники изобретения
При использовании нагревающей лазерной линии для печати, высушивания чернил, процессов непрерывного изготовления или других применений объект, нагреваемый на поверхности, проходит под линией нагрева в направлении, перпендикулярном направлению линии. Альтернативно, линия нагрева перемещается в направлении, перпендикулярном направлению линии относительно объекта. Для того чтобы генерировать лазерную линию с достаточно высокой мощностью лазера с полупроводниковыми лазерами, необходимо размещать несколько подмодулей, удерживающих матрицы полупроводниковых лазеров с поверхностным излучением бок о бок на общем носителе. Излучение одиночных полупроводниковых лазеров далее фокусируется подходящей системой линз, в частности, цилиндрическими линзами до требуемой формы линии на рабочей плоскости. С таким модулем возникают проблемы из-за неизбежного зазора между отдельными подмодулями, что приводит к некоторому минимуму интенсивности вдоль лазерной линии. Для исключения или уменьшения такого минимума интенсивности WO 2011/21140 A2 предлагает особую оптическую конструкцию для фокусирования лазерного излучения на рабочую плоскость, которая перекрывает распределения интенсивности смежных подмодулей вдоль лазерной линии. В результате оптические зазоры между двумя подмодулями могут быть закрыты на некоторых расстояниях между модулем и рабочей плоскостью.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение лазерного модуля, содержащего несколько подмодулей, которые позволяют генерировать лазерную линию, имеющую однородное распределение интенсивности вдоль линии без необходимости использовать специально выполненную оптику.
Эта задача достигается лазерным модулем согласно пункту 1 формулы изобретения.
Предпочтительные варианты выполнения лазерного модуля представляют собой объект зависимых пунктов формулы изобретения или описаны в следующем далее описании.
Предложенный лазерный модуль содержит несколько подмодулей, размещенных вдоль первой оси бок о бок на общем носителе. Каждый из подмодулей содержит область лазера, образованную из одной или нескольких матриц полупроводниковых лазеров, размещенных на поверхности подмодуля. Лазерное излучение, испускаемое упомянутыми полупроводниковыми лазерами, образует распределение интенсивности в рабочей плоскости, обращенной к упомянутой поверхности подмодулей. Область лазера может быть идентична площади поверхности поверхности подмодулей или также может быть меньше этой площади поверхности. Подмодули и области лазера выполнены и размещены так, что области лазера смежных подмодулей частично перекрываются в направлении, перпендикулярном первой оси.
Области лазера образованы из компоновки матриц полупроводниковых лазеров, которая содержит два параллельных боковых края. Параллельные боковые края областей лазера смежных подмодулей параллельны друг другу и наклонены под углом β к упомянутой первой оси, причем 0°<β<90°. Обычно области лазера, а также поверхности подмодулей имеют прямоугольную форму, но возможны и другие формы, имеющие два параллельных боковых края, например, трапецеидальную геометрическую конструкцию.
Распределение интенсивности, сгенерированное таким модулем, предпочтительно имеет вытянутую форму, например прямоугольную форму, в которой длина больше ширины в рабочей плоскости. В предпочтительном варианте выполнения профиль интенсивности имеет линейную форму. Такой линейный профиль интенсивности требует использования подходящей оптики между полупроводниковыми лазерами и рабочей плоскостью для того, чтобы фокусировать испускаемое лазерное излучения в направлении, перпендикулярном лазерной линии, до требуемой ширины линии. Направление более длинной стороны профиля интенсивности в рабочей плоскости параллельно первой оси, вдоль которой на носителе размещены подмодули. Носитель может быть любой конструкцией, на которой могут быть установлены подмодули, например, пластиной или каркасом.
Подмодули выполнены в выше описанном варианте выполнения с параллельными боковыми краями областей лазера, параллельными друг другу на носителе. В отличие от известной компоновки этих боковых краев, перпендикулярной первой оси, подмодули размещены в предложенном модуле с боковыми краями их областей лазера под углом, большим 0° и меньшим 90°, к первой оси. Этот угол выбирается в зависимости от расстояния между параллельными боковыми краями поверхностей смежных подмодулей или между областями лазера смежных подмодулей так, что изменение интенсивности профиля интенсивности в рабочей плоскости в направлении, параллельном упомянутой первой оси, уменьшается в отношении к компоновке 0° или 90°.
За счет этого поворота поверхностей подмодуля или областей лазера вокруг их оптической оси однородность сгенерированного профиля интенсивности улучшается в направлении, параллельном первой оси, в частности в направлении длины профиля интенсивности, в частности в случае лазерной линии. Выбирая подходящий угол поворота на данном расстоянии между областями лазера подмодулей, минимум интенсивности в рабочей плоскости, вызванный зазорами между подмодулями или областями лазера, может быть полностью исключен независимо от расстояния от рабочей плоскости до лазерного модуля. Это не зависит от какой-либо оптики, используемой спереди лазеров для того, чтобы коллимировать и/или фокусировать лазерное излучение до требуемой формы. Предложенная конструкция не требует использования какой-либо специализированной оптики для того, чтобы достигать вышеописанного эффекта и таким образом позволяет использовать оптические компоновки, которые просты в изготовлении. То же применимо к конструкции полупроводниковых лазеров в матрице лазеров, которая может быть, например, VCSEL круглой или прямоугольной формы (VCSEL: лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором) или VECSEL (VECSEL: лазер поверхностного излучения с вытянутым вертикальным резонатором). То же преимущество достигается в случае конструкций и компоновок подмодулей и областей лазера так, что области лазера смежных подмодулей частично перекрываются в направлении, перпендикулярном первой оси. В связи с этим подмодули и области лазера могут, например, также иметь треугольную форму.
Конструкция и компоновка подмодулей и областей лазера предпочтительно выбираются так, что - за исключением граничных областей лазерного модуля - мощность лазерного излучения, испускаемого полупроводниковыми лазерами при объединении в направлении, перпендикулярном первой оси, совпадает с точностью ±10% для каждого участка первой оси. Размер этого участка первой оси, вдоль которого выше описанная объединенная интенсивность суммируется или объединяется, разумеется, больше расстояния между смежными полупроводниковыми лазерами, но меньше зазора между смежными областями лазера. Нижнее ограничение размера этого участка первой оси необходимо, так как взаимное расстояние между отдельными лазерами вызывает изменение интенсивности в малом масштабе в плоскости лазерного модуля вдоль этой оси. С помощью такой конструкции лазерного модуля изменения интенсивности вдоль сгенерированной лазерной линии, которые обычно возникают из-за зазоров между смежными областями лазера или подмодулями, полностью исключаются.
В предпочтительном варианте выполнения предложенного лазерного модуля отдельные полупроводниковые лазеры размещены в компоновке квадратной сетки со сторонами, параллельными боковым краям областей лазера и имеют области излучения прямоугольной или квадратной формы, причем края областей излучения квадратной или прямоугольной формы ориентированы под углом 45° к параллельным боковым краям областей лазера. Альтернативно, края областей излучения квадратной или прямоугольной формы ориентированы параллельно сторонам компоновки квадратной сетки, и компоновка квадратной сетки ориентирована под углом 45° к параллельным боковым краям областей лазера. Параллельные боковые края областей лазера в обоих случаях размещены под углом 45° к упомянутой первой оси так, что края областей излучения квадратной или прямоугольной формы лазеров параллельны первой оси и направлению более длинной стороны профиля интенсивности в рабочей плоскости.
В другом предпочтительном варианте выполнения каждая матрица лазера содержит лазеры в гексагональной компоновке, ориентированной главной осью под углом 30° или 60° к упомянутым боковым краям поверхностей подмодулей. В этом варианте выполнения подмодули размещены под углом 30° или 60° к упомянутой первой оси. Оба варианта выполнения имеют преимущество по существу традиционной схемы матриц лазеров, которые далее могут быть объединены, если необходимо, с традиционными матрицами микролинз или одиночными большими цилиндрическими линзами для коллимации. В таком случае могут быть использованы цилиндрические микролинзы, образуя ряды и столбцы линз, которые не должны поворачиваться относительно направления более длинной стороны профиля интенсивности, в частности лазерной линии или первой оси. То же применимо при использовании одиночных больших цилиндрических линз.
Термин «подмодуль» в настоящей заявке на патент относится к любому блоку, удерживающему одну или несколько матриц полупроводниковых лазеров. В зависимости от конструкции или размера модуля, такой подмодуль может быть образован из подложки, на которой установлены несколько полупроводниковых лазерных кристаллов или кристаллов, удерживающих малые матрицы полупроводникового лазера. Такой блок или подмодуль также может быть образован из микроохладителей, на которых установлены несколько выше описанных подложек или на которых установлены несколько кристаллов с полупроводниковыми лазерами или матрицами полупроводниковых лазеров.
В предпочтительном варианте выполнения прямоугольных областей лазера угол наклона, т.е. угол между первой осью и прямыми параллельными краями областей лазера, выбран согласно следующему условию: H×cosβ=n×(B+G)/sinβ, где n - любое целое число, β - угол наклона, В - ширина областей лазера между двумя параллельными боковыми краями, H - длина прямоугольных областей лазера, и G - размер зазора между областями лазера подмодулей, т.е. зазора между противоположными боковыми краями смежных поверхностей подмодулей - или между смежными областями лазера, если ширина В областей лазера меньше ширины поверхности подмодуля. При этом условии минимум интенсивности вдоль сгенерированной лазерной линии или вытянутого распределения интенсивности лазера, получающийся из-за зазоров между подмодулями или областями лазера, может быть полностью исключен. Однородность, достигнутая предложенной компоновкой, уже не зависит от расстояния от рабочей плоскости до модуля.
Предложенный лазерный модуль может быть использован для любого применения, в котором необходимо использовать вытянутый профиль интенсивности лазера в рабочей плоскости, который имеет высокую однородность вдоль направления наибольшей вытянутости. Предложенный лазерный модуль позволяет генерацию лазерной линии с большой длиной и малой шириной за счет размещения достаточно большого количества подмодулей вдоль первой оси на носителе. С помощью такого лазерного модуля возможны такие применения, как высушивание чернил в профессиональной печатной машине, нагревание металла или пластиков, эпиляция, уход за кожей или высушивание клея и краски при изготовлении, как уже описано во вступлении описания. При этом лазерный модуль также пригоден для любых других применений, в которых требуется такой однородный профиль интенсивности.
Краткое описание чертежей
Далее предложенный лазерный модуль описан в примерах в сочетании с сопровождающими фигурами без ограничения объема охраны, который определен формулой изобретения. Фигуры показывают:
Фиг. 1 - пример компоновки подмодулей лазерного модуля согласно известному уровню техники;
Фиг. 2 - схему, показывающую объединенные профили интенсивности одной матрицы лазеров, подмодуля и наклоненного подмодуля при перемещении в направлении y над объектом;
Фиг. 3 - схему, показывающую наклоненный подмодуль и соответствующую конструкцию лазеров и матрицы лазеров подмодуля;
Фиг. 4 - схему, показывающую дополнительный пример конструкции лазеров и матрицы лазеров наклоненного подмодуля на Фиг. 3; и
Фиг. 5 - схематический вид компоновки нескольких подмодулей согласно настоящему изобретению.
Подробное описание вариантов выполнения
Фигура 1 показывает компоновку подмодулей 1 в лазерном модуле известного уровня техники в схематическом виде. Готовый модуль создают из большого количества подмодулей, имеющих области 8 лазера с длиной H (в направлении y) и шириной В (в направлении x). Подмодули 1 размещены вдоль первой оси 10. Направление y представляет собой направление, в котором нагреваемый или освещаемый объект перемещается в отношении лазерного модуля или наоборот. Лазерная линия, которая генерируется лазерным модулем на объекте, т.е. в рабочей плоскости, продолжается в направлении х. Области 8 лазера подмодулей 1 образованы из матриц полупроводниковых лазеров, в частности кристаллов VCSEL с малой матрицей VCSEL. При установке подмодулей 1 на общем носителе зазор, имеющий ширину зазора G, обычно неизбежен между близлежащими подмодулями 1 из-за электрических соединений, сборочных допусков, требований безопасности и других причин.
При использовании такого лазерного модуля для генерации требуемой лазерной линии или распределения интенсивности лазера в рабочей плоскости объединенное распределение интенсивности  изменяется в направлении х. Это показано в нижнем участке на Фиг. 1 при лазерном излучении отдельных лазеров, которое коллимируется несовершенным образом. Минимум 9 или неоднородности в распределении интенсивности вызваны зазорами между областями 8 лазера или подмодулями 1, соответственно.
Фиг. 2 показывает три схемы, изображающие это объединенное распределение интенсивности для одного лазера или для одного кристалла 2, удерживающего малую матрицу лазеров (Фиг. 2), для одного подмодуля 1 (Фиг. 2b) и для наклоненного подмодуля или поверхности подмодуля согласно настоящему изобретению (Фиг. 2c). Как показано на этой фигуре, наклон поверхности подмодуля на угол α размывает объединенное распределение интенсивности в направлении х. Также на этой фигуре, лазерное излучение отдельных лазеров считается коллимированным несовершенным образом. Это объединение учитывает быстрое перемещение облучаемого объекта в направлении y. Этот наклон подмодуля 1 уменьшает глубину модулирования полного интеграла объединенного профиля интенсивности .
Настоящее изобретение использует преимущество этого эффекта и размещает поверхности подмодуля или всех подмодулей 1 под углом α≠0° и α≠90° с их параллельными боковыми краями в направлении перемещения (направлении y) в лазерном модуле. Так как подмодули 1 размещены вдоль первой оси 10, параллельной направлению х в этом лазерном модуле, это означает, что подмодули 1 размещены параллельными боковыми краями их поверхностей под углом β=90°-α к первой оси 10. Этот угол наклона выбран так, что области 8 лазера смежных подмодулей 1 частично перекрываются в отношении к направлению y, как направлению наблюдения.
Для того чтобы достигать фокусирования до тонкой линии (малый размер в направлении y), часто необходимо, чтобы излучение отдельных полупроводниковых лазеров было коллимировано в направлении y, например, матрицей цилиндрических микролинз. Излучение всего модуля также может быть сфокусировано до требуемых ширин линии подходящими цилиндрическими линзами. В связи с этим компоновку матрицы полупроводниковых лазеров на полупроводником кристалле - в случае вращательно несимметричных форм VCSEL, а также ориентации отдельных VCSEL - и ориентации цилиндрических микролинз спереди VCSEL необходимо наклонять на тот же угол β в отношении оси y.
Для некоторых особых углов наклона схема VCSEL может быть более традиционной, как показано на Фиг. 3 и 4. Фиг. 3а показывает подмодуль 1, поверхность которого наклонена на угол β к направлению х. На этой фигуре схематически обозначены кристаллы 4 матрицы VCSEL с прикрепленной матрицей микролинз. В предпочтительном варианте выполнения угол наклона β составляет 30° или 60° для матрицы VCSEL с гексагональной компоновкой, при этом одна из главных осей 6 гексагональной компоновки находится под углом 30° или 60° к одному из краев кристалла и на установленном подмодуле 1, параллельном направлению х. Это показано на Фиг. 3b, которая показывает кристалл 2 матрицы VCSEL с одиночными VCSEL 5 в гексагональной компоновке. Фиг. 3c показывает компоновку рядов 7 из микролинз матрицы, которые также наклонены на 30° или 60° к соответствующим боковым краям кристалла 2.
В дополнительном варианте выполнения угол наклона β составляет 45° для матрицы VCSEL с квадратной компоновкой матрицы, при этом главная ось перпендикулярна оси кристалла, как указано на Фиг. 4. Это фигура показывает пример кристалла 2 с квадратной матрицей с прямоугольными VCSEL 5, размещенными под 45° к краям кристалла.
1
3
Угол наклона β предпочтительно выбран так, что зазоры между областями 8 лазера или подмодулями 1, совершенным образом закрыты в отношении к выступающей лазерной линии. В связи с этим условие H×cosβ=n×(B+G)/sinβ, где n - целое число, должно быть выполнено, как проиллюстрировано на Фиг. 5. Фиг. 5 показывает наклоненную компоновку поверхностей или подмодулей 1 в лазерном модуле для n=2. Подмодули 1 размещены вдоль первой оси 10 (параллельной оси х) и наклонены их параллельными боковыми краями 3 относительно упомянутой первой оси под углом β=90°-α, α - угол боковых краев 3 к направлению y. Для фиксированной ширины зазора G между параллельными боковыми краями 3 поверхностей подмодулей 1, которые совпадают с областями 8 лазера в этом примере, возможно находить несколько наборов решений {H, В, β} в пределах других требований к модулю. Например: H влияет также и на мощность на единицу длины, β составляет предпочтительно 30°, 45° или 60° и т.д. Для вышеописанного условия оптические зазоры в лазерной линии могут быть полностью исключены. Однородность не зависит от расстояния между лазерным модулем и рабочей плоскостью. Нижний участок на Фиг. 5 показывает объединенное распределение интенсивности  лазерной линии в зависимости от положения на оси х. Лазерная линия является однородной для всех положений x при условии x1≤x≤x3, где x и х указаны в выше приведенном участке на фигуре.
Тогда как изобретение проиллюстрировано и описано подробно на чертежах и вышеприведенном описании, такие иллюстрация и описание должны рассматриваться иллюстрирующими или примерными и не ограничивающими; изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами выполнения. Другие изменения раскрытых вариантов выполнения могут быть поняты и осуществлены специалистом в области техники на практике при выполнении заявленного изобретения из изучения чертежей, описания и приложенной формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а термины в единственном числе не исключают наличия множества. Сам по себе тот факт, что некоторые величины перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения не указывают на то, что совокупность этих величин не может быть использована с пользой. Признаки всех пунктов формулы изобретения устройства могут быть свободно объединены. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны подразумеваться как ограничивающие объем охраны изобретения.
Список ссылочных позиций
1 подмодуль
2 кристалл матрицы VCSEL
3 параллельные боковые края
4 матрица VCSEL с матрицей микролинз
5 одиночный VCSEL
6 главная ось гексагональной компоновки
7 ряды микролинз
8 область лазера
9 минимум распределения интенсивности
10 первая ось.