ЛАЗЕРНЫЙ ПРИБОР, СОДЕРЖАЩИЙ ОПТИЧЕСКИ НАКАЧИВАЕМЫЙ ЛАЗЕР С ПРОТЯЖЕННЫМ РЕЗОНАТОРОМ
LASER DEVICE CONTAINING OPTICALLY PUMPED LASER WITH ELONGATED RESONATOR

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к лазерному прибору, содержащему лазер с протяженным резонатором. Предпочтительно, чтобы лазер с протяженным резонатором был оптически накачиваемым лазерным прибором с поверхностным излучением и вертикальным внешним резонатором, содержащим по меньшей мере один лазер с поверхностным излучением и вертикальным внешним резонатором (VECSEL) и несколько лазеров накачки, причем указанный лазер накачки выполнен с возможностью оптической накачки активной области VECSEL путем отражения излучения накачки на зеркальном элементе. По меньшей мере два лазера накачки могут переключаться независимо, чтобы можно было оказывать влияние на форму и/или протяженность излучаемого лазерного пучка (пучков).
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Оптически накачиваемые VECSEL или полупроводниковые дисковые лазеры (ПДЛ) представляют собой компактные и недорогие решения применительно к лазерам средней мощности с высокой яркостью, узкой шириной полосы и короткими лазерными импульсами. Для стандартных дисковых лазеров требуется точная юстировка лазеров накачки и оптики лазеров накачки относительно оптической моды лазерного резонатора. Кроме того, при практических применениях таких оптически накачиваемых VECSEL или ПДЛ, подобных созданию печатных форм на компьютере или селективному лазерному плавлению, обычно требуется значительный объем работ для создания соответствующего требованиям рабочего пространства, в котором может выполняться обработка посредством излучаемых лазерных пучков.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Поэтому задача настоящего изобретения заключается в предоставлении усовершенствованного лазерного прибора и усовершенствованной лазерной системы, содержащей такие лазерные приборы.
Согласно первому аспекту предложен лазерный прибор. Лазерный прибор содержит по меньшей мере два лазера накачки. Предпочтительно, чтобы лазеры накачки были лазерными диодами, подобными лазерным диодам с торцевым излучением или лазерным диодам с поверхностным излучением и вертикальным резонатором (ПДЛ). По меньшей мере первый из упомянутых по меньшей мере двух лазеров накачки выполнен с возможностью излучения пучка накачки независимо от по меньшей мере второго лазера накачки из упомянутых по меньшей мере двух лазеров накачки. По меньшей мере два лазера накачки могут переключаться, включаться и выключаться, независимо друг от друга. Кроме того, мощностью пучков накачки можно управлять независимо так, чтобы, например, первый лазер накачки излучал пучок накачки с максимальной мощностью, а второй лазер накачки излучал независимый пучок накачки с мощностью, составляющей 50% максимальной мощности, которая может излучаться вторым лазером накачки. Лазерный прибор также содержит элемент усиления, зеркало излучения накачки и зеркало протяженного резонатора для образования лазера с протяженным резонатором с элементом усиления. Зеркало излучения накачки выполнено с возможностью изменения направления пучка накачки первого лазера накачки к первому пятну накачки на элементе усиления и пучка накачки второго лазера накачки ко второму пятну накачки на элементе усиления, при этом второе пятно накачки по меньшей мере частично охватывает другой участок на элементе усиления, чем первое пятно накачки. Предпочтительно, чтобы лазерный прибор было выполнен с возможностью излучения по меньшей мере двух независимых лазерных пучков. Предпочтительно, чтобы отражательная способность зеркала излучения накачки была как можно выше (например, >99,9%) для минимизации потерь и исключения излишнего нагрева зеркала излучения накачки пучками накачки. Отражательная способность зеркала протяженного резонатора подобрана так, что генерация оптического излучения обеспечивается в сочетании с элементом усиления. Отражательная способность также зависит от того, излучается или нет через зеркало протяженного резонатора лазерный пучок, излучаемый лазерным прибором. Предпочтительно, чтобы отражательная способность зеркала протяженного резонатора находилась в диапазоне от 90% до 99,5%, чтобы обеспечить лазерное излучение, если лазерный пучок излучается через зеркало протяженного резонатора. Кроме того, в зависимости, например, от отражательной способности зеркальных слоев вокруг активного слоя в так называемом полупроводниковом лазере с внутренним резонатором отражательная способность может быть ниже чем 90%. Если лазерный пучок не излучается через зеркало протяженного резонатора, то предпочтительно, чтобы отражательная способность была выше чем 99,9%. Направления пучков накачки первого и второго лазеров накачки изменяются зеркалом излучения накачки так, что пятна накачки не перекрываются или по меньшей мере одно из пятен накачки не идентично другому пятну накачки. Например, в случае двух пятен накачки последнее означает, что
- пятна накачки перекрываются, но оба пятна накачки охватывают участок, на который накачка выполняется только одним лазером накачки, или
- первое пятно накачки охватывается вторым пятном накачки, но второе пятно накачки охватывает участок, на который накачка не выполняется первым лазером накачки.
Этот принцип может быть обобщен на три, четыре, пять или множество независимых пучков накачки. В этом случае пятно накачки означает, что в определенный объем активного слоя элемента усиления осуществляется оптическая накачка соответствующим пучком накачки, излучаемым соответствующим лазером накачки или лазерами накачки.
Первое и второе пятна накачки предпочтительно охватывают различные участки на элементе усиления, так что лазерный прибор выполнен с возможностью излучения по меньшей мере двух лазерных пучков, и эти лазерные пучки не перекрываются. Два, три, четыре или большее количество независимых лазерных пучков, излучаемых лазерным прибором, могут использоваться для расширения рабочего пространства лазерного прибора. Традиционные лазерные модули обычно направляют в рабочее пространство, которое намного больше по сравнению с протяженностью лазерного модуля. Поэтому лазерный модуль либо должен быть перемещаемым для адресации к рабочему пространству, либо должна быть предусмотрена сканирующая система для изменения направления в предполагаемом рабочем пространстве. Перемещение лазерного модуля или предоставление сканирующей системой приводит к увеличению размера всей системы. Поэтому получением независимых лазерных пучков, которыми можно манипулировать независимо, можно ослаблять требования к механическим системам, предназначенным для перемещения лазерного прибора, или к сканирующим системам или даже вообще исключать такие системы или сканеры. Кроме того, в зависимости от размера элемента усиления шаг независимых лазерных пучков, излучаемых лазерным прибором, может быть меньше чем 1 мм или даже меньше чем 100 мкм. Поэтому лазерным прибором можно создавать отдельно адресуемые параллельные лазерные пучки с высоким разрешением, и этим можно ослаблять требования к механическим вспомогательным системам или сканерам. В случае отдельно адресуемых, но отклоняемых лазерных пучков можно облучать широкую область рабочего пространства без необходимости в механических вспомогательных системах или сканерах.
При ином подходе первое пятно накачки перекрывается со вторым пятном накачки. Два, три, четыре или большее количество независимых лазерных пучков, излучаемых лазерным прибором, можно использовать для адаптации формы и/или профиля лазерного пучка, излучаемого лазерным прибором. На линии несколько пятен накачки могут перекрываться, так что лазерный пучок будет облучать линию. В ином случае первое круговое пятно накачки может быть частью второго более крупного кругового пятна накачки, так что профиль лазерного пучка может изменяться от гауссова до четко очерченного прямоугольными импульсами или наоборот. В случае последовательной или чередующейся активации пучков накачки с перекрывающимися пятнами накачки энергетическое воздействие может создаваться лазерным облучением с высоким разрешением. Абсолютная мощность лазера для каждого лазерного пучка может быть согласована с мощностью соответствующего пучка накачки и в дополнение к этому длительность импульса каждого пучка накачки может быть использована для образования перекрывающихся облученных участков, так что энергетическое воздействие на каждый участок и время можно точно регулировать. Последнее может быть предпочтительным для печатания, подобного созданию печатных форм на компьютере и трехмерному печатанию (например, быстрому прототипированию).
Часть лазеров накачки может быть сгруппирована так, чтобы сгруппированные лазеры накачки были выполнены с возможностью одновременного излучения пучков накачки. Два, три, четыре или большее количество лазеров накачки можно связывать так, чтобы пучки накачки излучались одновременно. Пятна накачки могут перекрываться. В этом случае, например, кольцо перекрывающихся пятен накачки можно использовать для излучения трубкообразного лазерного пучка. Независимый лазерный пучок может быть расположен в центре трубкообразного лазерного пучка. Кроме того, группирование пучков накачки можно использовать для повышения мощности накачки и можно повышать в два, три или, например, четыре раза мощность при одном лазере накачки. Этот же принцип можно использовать в случае неперекрывающихся пятен накачки. Например, лазеры накачки и зеркала излучения накачки можно располагать так, чтобы образовывалась шахматная схема, в которой «белые» пятна накачки сгруппированы совместно, и «черные» пятна накачки сгруппированы совместно. В этом случае «белые» пятна накачки и «черные» пятна накачки можно использовать для получения двух независимых подсхем расположения одновременно излучаемых лазерных пучков с малым шагом. Поэтому, например, при печатании можно будет легко подбирать энергию для каждого участка.
Зеркало излучения накачки и зеркало протяженного резонатора являются частью одного первого оптического элемента. Зеркало излучения накачки и зеркало протяженного резонатора механически соединены так, что оба оказываются автоматически юстированными относительно друг друга. Лазеры накачки и элемент усиления расположены симметрично вокруг первой оптической оси, простирающейся через середину усилительного элемента, на общем теплоотводе с элементом усиления. Первый оптический элемент содержит вторую оптическую ось, простирающуюся к центру зеркала протяженного резонатора. Небольшие углы наклона между первой и второй оптическими осями могут создавать проблемы, поскольку углы наклона являются одинаковыми для зеркала протяженного резонатора и зеркала излучения накачки. Кроме того, невозможен поперечный сдвиг между зеркалом протяженного резонатора и зеркалом излучения накачки, поскольку оба являются частью одного первого оптического элемента.
Зеркало протяженного резонатора содержит подзеркала, при этом каждое подзеркало соответствует одному пятну накачки, так что каждое зеркало выполнено с возможностью фокусировки резонирующего пучка в соответствующее пятно накачки. Подзеркала могут быть параболическими или могут быть частью сферы. В этом случае криволинейные подзеркала можно использовать для фокусировки резонирующих пучков в соответствующие пятна накачки на элементе усиления, чтобы создавать независимые и предпочтительно параллельные лазерные пучки с небольшим шагом пятен накачки.
При ином подходе зеркало протяженного резонатора может быть плоским. В этом случае элемент усиления может быть выполнен таким способом, при котором пятна накачки соответствуют тепловым линзам, чтобы резонирующие пучки фокусировались на плоское зеркало протяженного резонатора. Тепловые линзы могут быть использованы вместо криволинейных подзеркал для фокусировки резонирующих пучков, чтобы создавать независимые и предпочтительно параллельные лазерные пучки с небольшим шагом пятен накачки.
Первый оптический элемент может содержать матрицу фокусирующих линз на стороне первого оптического элемента, обращенной к элементу усиления, и плоское зеркало протяженного резонатора на стороне первого оптического элемента, отвернутой от элемента усиления. В этом случае резонирующие пучки могут быть сфокусированы, например, сферическими выступами на стороне первого оптического элемента возле элемента усиления. В этом случае противоположная сторона первого оптического элемента может быть плоской и зеркально отражающей, так что основные части резонирующих пучков отражаются обратно через выступы к соответствующим пятнам накачки на элементе усиления. Зеркало излучения накачки может быть предусмотрено с той же стороны, что и выступы, например, расположено вокруг выступов в виде зеркально отражающей поверхности надлежащей формы. В ином случае зеркало излучения накачки может быть расположено с той же стороны от первого оптического элемента, что и резонаторное зеркало. Кроме того, в дополнение к тепловым линзам в элементе усиления могут использоваться фокусирующие линзы.
Зеркало излучения накачки может содержать подзеркала излучения накачки, выполненные с возможностью образования пятен накачки, и эти пятна накачки не перекрываются. Для каждого лазера накачки могут быть предусмотрены срезы сфер, чтобы каждый пучок накачки фокусировался в отдельное пятно накачки на элементе усиления. Кроме того, подзеркала излучения накачки могут быть использованы для создания перекрывающихся пятен накачки. Например, могут быть образованы кольцеобразные зеркала, прилегающие друг к другу, чтобы в этом случае пучки накачки от лазеров накачки, расположенных по окружности относительно элемента усиления, могли быть фокусированы, например, в перекрывающиеся пятна накачки, создавая кольцо на элементе усиления. В ином случае или в дополнение могут быть предусмотрены манипуляторы пучка, и эти манипуляторы пучка расположены между лазерами накачки и зеркалом излучения накачки. Манипуляторы пучка выполнены с возможностью образования пятен накачки, и эти пятна накачки не перекрываются. Например, манипуляторы пучка могут быть призмами или матрицей микролинз для изменения направления пучков накачки. В большей части применений микролинзы могут быть полезными для повышения яркости пучков накачки. В этом случае микролинзы матрицы можно сдвигать относительно оптической оси лазеров накачки, задаваемой направлением излучения пучков. Результирующий угол наклона пучка накачки можно выбирать таким, чтобы каждый пучок накачки фокусировался во взаимодействии с зеркалом излучения накачки в другое пятно накачки.
Лазерный прибор может содержать второй оптический элемент. Второй оптический элемент первый оптический элемент с зеркалом накачки излучения и отклонителем пучка, при этом отклонитель пучка и зеркало протяженного резонатора выполнены с возможностью рассеивания лазерных пучков. Резонирующие пучки между элементом усиления и расширителем пучка могут быть, например, параллельными. Отклонитель пучка может представлять собой поверхность, наклоненную относительно оптической оси элемента усиления, которая параллельна пучкам накачки между элементом усиления и отклонителем пучка. Отклонитель пучка может быть, например, протяженной линзой, поверхностью, содержащей несколько кольцеобразных субповерхностей с различными углами наклона, поверхностью с субповерхностями, обеспечивающими индивидуальный угол наклона для каждого резонирующего пучка. Кроме того, оптические дифракционные решетки могут быть использованы для отклонения резонирующих пучков. В зависимости от отклонителя пучка зеркало протяженного резонатора выполнено так, что резонирующие пучки отражаются обратно к соответствующему пятну накачки. Например, отклонитель пучка может быть линзой с первой точкой фокусировки, и в этом случае зеркало протяженного резонатора содержит отражающую поверхность со второй точкой фокусировки. Зеркало протяженного резонатора выполнено таким образом, что первая точка фокусировки совпадает со второй точкой фокусировки. Предпочтительно, чтобы в этом случае оптическая ось элемента усиления совпадала с оптической осью зеркала протяженного резонатора. Эта схема расположения может быть особенно подходящей для перекрывающихся пятен накачки соответствующих резонирующих пучков. В случае неперекрывающихся пятен накачки соответствующих резонирующих пучков зеркало протяженного резонатора может содержать отражающую поверхность, содержащую сегмент круга. В этом случае зеркало протяженного резонатора можно быть выполнено так, чтобы средняя точка сегмента круга совпадала с первой точкой фокусировки. Кроме того, линза может быть цилиндрической линзой, так что зеркало протяженного резонатора будет частью цилиндра. Цилиндрическая линза не имеет линии фокусировки, параллельной поверхности линзы. Кроме того, срез цилиндра с зеркалом протяженного резонатора имеет среднюю линию, а средняя линия совпадает с линией фокусировки цилиндрической линзы. При ином подходе круглую (обычную) линзу может быть предусмотрена так, чтобы зеркало протяженного резонатора было срезом сферы со средней точкой сферы, совпадающей с точкой фокусировки круглой линзы, вследствие чего резонирующие пучки будут отражаться обратно к соответствующим пятнам накачки.
Предпочтительно, чтобы лазерные пучки могли излучаться через зеркало протяженного резонатора. В этом случае отражательная способность зеркала протяженного резонатора должна быть подобрана такой, чтобы часть резонирующих пучков проходила через зеркало протяженного резонатора, вследствие чего усиление протяженного резонатора, содержащего элемент усиления и зеркало протяженного резонатора, будет пересекать порог лазерной генерации, так что будет обеспечиваться генерация оптического излучения.
Лазеры накачки и элемент усиления предпочтительно изготавливать на одной подложке. Лазеры накачки могут быть, например, лазерами с поверхностным излучением и вертикальным резонатором (VCSEL), которые изготовлены с элементом усиления на одной подложке. В этом случае последовательность слоев и структура слоев и соответствующий процесс изготовления должны быть согласованы с длиной волны пучков накачки, которые должны излучаться лазерами накачки, и с длиной волны лазерного пучка, излучаемого элементом усиления в сочетании с зеркалом протяженного резонатора. Для снижения нежелательных потерь антиотражающее покрытие может быть локально образовано на стороне элемента усиления, обращенной к зеркалу протяженного резонатора. Изготовление лазеров накачки и элемента усиления на одной подложке может дать преимущество, заключающееся в том, что будет отсутствовать необходимость в дополнительной юстировке лазеров накачки и элемента усиления. При такой идеальной юстировке может упроститься юстировка зеркала излучения накачки и зеркала протяженного резонатора, особенно в случае, если они оба образованы в рамках одного оптического элемента, и поэтому могут быть снижены объем работ и следовательно, затраты на лазерный прибор.
Согласно дальнейшему аспекту предложена лазерная система. Лазерная система содержит лазерный прибор, описанный выше. Лазерная система может быть лазерным печатающим устройством. Лазерная печать означает создание печатных форм на компьютере или трехмерную печать (лазерное спекание), которое можно использовать для быстрого прототипирования. Другими применениями являются лазерная маркировка пластика, металлов и т.д. и термопечать.
Кроме того, следует понимать, что предпочтительный вариант осуществления изобретения может быть любым сочетанием зависимого пункта формулы изобретения с соответствующим независимым пунктом формулы изобретения.
Дальнейшие выгодные варианты осуществления определены ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты изобретения станут очевидными и понятными при обращении к вариантам осуществления, описанным ниже.
Теперь изобретение будет описано только для примера на основании вариантов осуществления с обращением к сопровождающим чертежам.
НА ЧЕРТЕЖАХ:
На фиг. 1 показан первый лазерный прибор.
На фиг. 2 показан второй лазерный прибор.
На фиг. 3 показана принципиальная схема VCSEL-лазера накачки.
На фиг. 4 показана принципиальная схема элемента усиления.
На фиг. 5 показан третий лазерный прибор.
На фиг. 6 показан четвертый лазерный прибор.
На фиг. 7 показан первый пример элемента усиления с различными пятнами накачки.
На фиг. 8 показан второй пример элемента усиления с различными пятнами накачки.
На фиг. 9 показан третий пример элемента усиления с различными пятнами накачки.
На фиг. 10 показана принципиальная схема лазерной системы, содержащей лазерные прибора.
На всех чертежах одинаковыми позициями обозначены подобные объекты. На чертежах объекты необязательно выполнены в масштабе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Теперь различные варианты осуществления изобретения будут описаны с помощью чертежей.
На фиг. 1 показана принципиальная схема сечения первого лазерного прибора 100. Предпочтительно, первый лазерный прибор является вращательно симметричным относительно центральной оси (оптической оси) элемента 160 усиления. Несколько лазеров 110 накачки, предпочтительно матрицы VCSEL, установлены на общем теплоотводе 120 с по меньшей мере одним элементом 160 усиления, предпочтительно с элементом полупроводникового дискового лазера (также называемого OP-VECSEL). Лазеры накачки выполнены с возможностью излучения пучков 191 накачки к зеркалу 140 излучения накачки, при этом каждый лазер накачки может быть адресован отдельно. Зеркало 140 излучения накачки содержит несколько областей, отличающихся формой и/или радиусом кривизны, так называемых подзеркал излучения накачки. Зеркало 140 излучения накачки расположено перед модулем. Для исключения потерь отражательная способность зеркала излучения накачки должна быть как можно выше (например, >99,9%). Зеркало 140 излучения накачки фокусирует отраженные пучки 192 накачки на элемент 160 усиления, формирующий несколько пятен 170 накачки. Подзеркала излучения накачки из зеркала 140 излучения накачки имеют простейшую форму внеосевых параболических зеркал (или зеркал произвольной формы для придания отраженному пучку 192 накачки заданной формы). Зеркало 150 протяженного резонатора расположено над элементом 160 усиления. Зеркало 150 протяженного резонатора расположено в середине зеркала 140 излучения накачки и поэтому окружено зеркалом 140 излучения накачки. Зеркало 150 протяженного резонатора и зеркало 140 накачки излучения представляют собой один оптический элемент, содержащий зеркало 140 излучения накачки и зеркало 150 протяженного резонатора. Зеркало 150 протяженного резонатора содержит подзеркала, каждое из которых совместно с элементом 160 усиления образует стабильный резонатор, что приводит к образованию нескольких резонирующих пучков 193 и, в конечном счете, лазерных пучков 194, которые излучаются через зеркало 150 протяженного резонатора. Зеркало 150 протяженного резонатора и поэтому подзеркала имеют достаточную отражательную способность, что позволяет получать стабильный протяженный лазерный резонатор совместно с элементом усиления. С другой стороны, отражательная способность не должна быть слишком высокой, чтобы лазерные пучки 194 могли проходить через подзеркала зеркала 150 протяженного резонатора. Отражательная способность может быть, например, в диапазоне от 90% до 99,5%, но в зависимости от элемента 160 усиления может быть меньше. Подзеркала зеркала 150 протяженного резонатора могут быть простыми сферическими зеркалами или также зеркалами произвольной формы. Каждый из лазерных пучков 194 может быть адресован отдельно путем адресации лазеров 110 накачки. Шаг лазерных пучков 194 определяется зеркалом 140 излучения накачки и зеркалом 150 протяженного резонатора и может быть меньше чем 100 мкм. Таким образом, лазерный прибор 100 позволяет получать множество отдельно переключаемых лазерных пучков 194 при небольшом шаге между лазерными пучками 194. Сложные механические или оптические устройства, применяемые для перемещения лазерного модуля с высокой точностью или для изменения направления лазерного пучка с высокой точностью, могут быть исключены или точность их может быть понижена.
На фиг. 2 показан второй лазерный прибор 100. Лазерный прибор 100 почти идентичен лазерному прибору, показанному на фиг. 1. Имеются только некоторые незначительные различия. Для уменьшения объема работ по юстировке зеркало 140 излучения накачки и зеркало 150 протяженного резонатора представляют собой один оптический элемент. Отражательная способность зеркала 150 протяженного резонатора должна быть как можно выше (например, >99,9%), чтобы лазерный пучок 194 не мог проходить через зеркало 150 протяженного резонатора. Элемент 160 усиления выполнен таким образом, что стабильный протяженный лазерный резонатор создается совместно с зеркалом 150 протяженного резонатора, но лазерные пучки 194 могут проходить через элемент усиления в направлении теплоотвода 120. Поэтому теплоотвод 120 имеет отверстие, находящееся ниже по меньшей мере части элемента усиления, так что лазерные пучки 194 могут излучаться. Теплоотвод 120 может состоять из материала с очень высокой теплопроводностью, такого как медь. Отверстие в теплоотводе 120, находящееся ниже элемента усиления, может быть заполнено материалом, прозрачным для лазерных пучков 194, но с повышенной теплопроводностью по сравнению с теплопроводностью воздуха.
На фиг. 3 показана принципиальная схема VCSEL-лазера 110 накачки. На чертеже приведено сечение VCSEL-лазера 110 накачки. Оптический резонатор содержит нижний распределенный брэгговский отражатель (РБО) 115, верхний (РБО) 113 и активный слой 114, помещенный между нижним РБО 115 и верхним РБО 113. Нижний РБО 115 является сильно отражающим (>99%), а верхний РБО 113 имеет до некоторой степени меньшую отражательную способность (>95%), чтобы обеспечивалась возможность излучения пучка 191 накачки через верхний РБО 113. Поэтому VCSEL является так называемым излучателем с направленным вверх излучением. Активный слой 114 содержит некоторое количество слоев, образующих структуру квантовых ям. Нижний РБО 115 расположен на подложке, подобной подложке из GaAs. VCSEL контактирует посредством нижнего электрода 117 и кольцевого электрода 112. Нижний электрод 117 расположен на стороне подложки, противоположной нижнему РБО 115. Кольцевой электрод 112 расположен поверх верхнего РБО 113. VCSEL-лазер накачки излучает пучок 191 накачки, если достаточные электрические напряжение и ток прикладываются к электродам 112, 117. Варианты компоновки слоев без влияния на функционирование слоев хорошо известны специалистам в области техники. Например, VCSEL-лазер 110 накачки также может быть выполнен так, чтобы так называемый излучатель с направленным вниз излучением излучал пучок 191 накачки через нижний РБО и, в этом случае, прозрачную подложку. Отражательные способности РБО и компоновки электродов должны быть соответствующим образом согласованы.
На фиг. 4 показана принципиальная схема сечения элемента 160 усиления. Элемент усиления содержит нижний РБО 165, необязательно верхний РБО 163 и активный слой 164, помещенный между нижним РБО 165 и верхним РБО 163. Нижний РБО 165 является сильно отражающим (>99%), а верхний РБО 163 имеет малую отражательную способность, например 50%, так что генерация оптического излучения невозможна без дополнительных технических мероприятий. Верхний РБО 163 даже можно удалять и можно создавать только антиотражающее покрытие. Поэтому необходима дополнительная оптическая обратная связь с помощью зеркала 150 протяженного резонатора, чтобы сделать возможной генерацию оптического излучения в случае, если элемент усиления оптически накачивается лазером 110 накачки. При выполнении сравнения структуры VCSEL-лазера 110 накачки, показанного на фиг. 3, и структуры элемента 160 усиления, показанного на фиг. 4, станет очевидно, что обе могут быть изготовлены на одной подложке. В этом случае подложки 116 и 166 должны быть одинаковыми, и в этом случае элемент 160 усиления может содержать неиспользуемый нижний электрод 117 или нижний электрод 117 под элементом 160 усиления может быть удален. В этом случае последовательность и структура слоев верхнего и нижнего РБО и слоев квантовых ям из активных слоев должна быть согласована с длиной волны пучка 191 накачки, которое должно излучаться лазером 110 накачки, и с длиной волны лазерного пучка 194, которое должно излучаться элементом 160 усиления в комбинации с зеркалом 150 протяженного резонатора. Это может приводить к некоторым дополнительным этапам изготовления. При изготовлении лазеров 110 накачки и элемента 160 усиления на одной подложке может уменьшаться объем работ по сборке лазерного прибора. Кроме того, элемент 160 усиления может быть выполнен способом, при котором возможно излучение лазера через нижний РБО 163. В этом случае нижний РБО 163 можно изготавливать так, чтобы отражательная способность составляла около 95%.
На фиг. 5 показана принципиальная схема сечения третьего лазерного прибора 100. Отдельные пятна накачки образуются зеркалом 240 излучения накачки, являющимся общим параболическим зеркалом, но при этом пучки 191 накачки лазеров 110 накачки имеют различные углы падения на зеркало 240 излучения накачки, что приводит к образованию отдельных пятен 170 накачки. Различие углов падения может быть реализовано, например, при использовании манипуляторов 300 пучка, подобных матрицам микролинз, для коллимирования пучков 191 накачки лазеров 110 накачки. Матрицы микролинз лазеров 110 накачки незначительно разъюстированы в направлении, параллельном плоскости матрицы, в результате чего создаются наклоны пучков 191 накачки и отраженных пучков 192 накачки, что приводит к поперечному сдвигу пятен накачки 170 на элементе 160 усиления. Протяженный лазерный резонатор для отдельных резонирующих пучков 193 и в конечном счете для излучаемых лазерных пучков 194 образован зеркалом 250 протяженного резонатора, которое является общим плоским зеркалом, и например, нижним РБО 165 элемента 160 усиления. Кроме того, предусмотрена фокусирующая линза 270 в виде матрицы линз с одной линзой на каждое пятно 170 накачки для фокусировки резонирующих пучков 193 на соответствующие пятна 170 накачки. Зеркало 250 протяженного резонатора, зеркало 240 накачки излучения и фокусирующая линза 270 представляют собой один первый оптический элемент 200. Оптический элемент изготовлен из стекла с низким поглощением в частотном диапазоне резонирующих пучков 193. Зеркало 240 излучения накачки и фокусирующая линза 270 расположены на стороне, находящейся напротив лазеров 110 накачки и элемента усиления. А зеркало 250 протяженного резонатора расположено на противоположной стороне первого оптического элемента 200. Зеркало 240 излучения накачки и зеркало протяженного резонатора могут быть изготовлены нанесением покрытия на соответствующие участки первого оптического элемента. Фокусирующая линза 270 может быть матрицей сферических выступов, которые могут быть получены прессованием или шлифованием.
На фиг. 6 показана принципиальная схема сечения четвертого лазерного прибора 100. Схема расположения подобна схеме расположения, описанной с обращением к фиг. 5, но первый оптический элемент 200 заменен вторым оптическим элементом 400. Зеркало 440 накачки излучения выполнено таким же образом, как зеркало 240 накачки из фиг. 5, но матрица линз фокусирующей линзы 270 заменена отклонителем 480 пучка, который состоит из одной общей линзы. Тепловые линзы, образованные в элементе 160 усиления, фокусируют резонирующие пучки 193 так, что резонирующие пучки 193 попадают на поверхность линзы (отклонителя 480 пучка) в различные точки, вследствие чего резонирующие пучки 193 дифрагируют различным образом и фокусируются в точке фокусировки линзы, которая вместе с этим является средней точкой зеркала 450 протяженного резонатора, которое представляет собой сферическое зеркало, заменяющее плоское зеркало из фиг. 5. Поэтому резонирующие пучки 193 отражаются обратно к соответствующим пятнам 170 накачки. Таким образом, изображения всех пятен 170 накачки отображаются сами на себя после прохождения в прямом и обратном направлениях и не связываются с модой общего резонатора, что приводит к образованию отдельных лазерных пучков 194, которые выходят из протяженного объемного резонатора под различными углами. Следовательно, в зависимости от конструкции лазеров 110 накачки, зеркала 440 излучения накачки, которая намного крупнее, чем размер элемента 160 усиления, и формы элемента 160 усиления можно облучать линию или участок. Поэтому можно уменьшать затраты, связанные с механическими или оптическими вспомогательными устройствами (например со сканером). В этом варианте осуществления второй оптический элемент 400 содержит зеркало 440 излучения накачки, отклонитель 480 пучка и зеркало 450 протяженного резонатора.
На фиг. 7 показан первый пример элемента 160 усиления с различными пятнами 171, 172 накачки. Первое пятно 171 накачки является круглым и образовано на втором круглом пятне 172 накачки, которое имеет больший диаметр, чем первое пятно 171 накачки. При этом на форму лазерного пучка 194 оказывает влияние переключение лазера (лазеров) 110 накачки первого пятна 171 накачки независимо от лазера (лазеров) накачки второго пятна 172 накачки.
На фиг. 8 показан второй пример элемента 160 усиления с различными пятнами 171, 172 накачки. Первое пятно 171 накачки и в этом случае является круглым, как и показанное на фиг. 7. Второе пятно 172 накачки образовано наложением пятен накачки от шести лазеров 110 накачки, каждый из которых создает круглое пятно накачки. Шесть лазеров 110 накачки сгруппированы, так что пучки 191 накачки излучаются одновременно. Второе пятно 172 накачки содержит посредине участок, на который накачка не производится при выключении лазера (лазеров) 110 накачки, соответствующего первому пятну 171 накачки.
На фиг. 9 показан третий пример элемента 160 усиления с различными пятнами 171, 172 накачки. Пятна 171, 172 накачки расположены в регулярной решетке с шагом 100 мкм. Каждое пятно 171, 172 накачки соответствует одному лазеру 110 накачки, который может переключаться отдельно. Поэтому энергия облучения каждого участка может быть согласована с переключением лазеров накачки.
На фиг. 10 показано основное схематическое изображение в сечении лазерной системы 500, содержащей лазерные приборы 110. Лазерная система 500 представляет собой лазерную печатающую систему, содержащую несколько лазерных приборов 100 наподобие описанных с обращением к фиг. 6, и контроллер 525 лазеров. Отдельные лазеры 110 накачки из каждого лазерного прибора 100 могут управляться контроллером лазеров, так что весь участок печати может облучаться без какой-либо механической или оптической сканирующей системы. Размер лазерной печатающей системы может быть уменьшен и надежность повышена, поскольку нет необходимости в механических частях.
Описан лазерный прибор, позволяющий осуществлять управляемое излучение отдельных лазерных пучков. Лазерный прибор содержит оптически накачиваемый лазер с протяженным резонатором с одним элементом усиления, в соответствии с чем обеспечивается множество лазеров накачки для генерирования независимых пучков накачки и тем самым соответствующих лазерных пучков. Отдельные лазерные пучки могут быть использованы для воздействия на форму пучка и/или для получения множества отдельных параллельных лазерных пучков с небольшим шагом. Лазерный прибор может быть использован для создания упрощенных лазерных систем, таких как двух- или трехмерные лазерные принтеры.
Хотя изобретение было показано на чертежах и подробно описано в предшествующем описании, такие показ и описание должны считаться иллюстративными или примерными, а не ограничивающими.
После чтения настоящего раскрытия другие модификации станут очевидными для специалистов в области техники. Такие модификации могут включать в себя другие признаки, которые уже известны из уровня техники и которые могут быть использованы вместо признаков, уже описанных в этой заявке, или в дополнение к ним.
Изменения к раскрытым вариантам осуществления могут быть поняты и выполнены специалистами в области техники в результате изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а единственное число не исключает множества элементов или этапов. Сам факт, что некоторые признаки перечисляются во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что сочетание этих признаков не может успешно использоваться.
Любые позиции в формуле изобретение не должны толковаться как ограничивающие объем ее.
ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ:
100 - лазерный прибор;
110 - лазер накачки;
112 - кольцевой электрод;
113, 163 - верхний РБО;
114, 164 - активный слой;
115, 165 - нижний РБО;
116, 166 - подложка;
117 - нижний электрод;
120 - теплоотвод;
140, 240, 440 - зеркало излучения накачки;
150, 250, 450 - зеркало протяженного резонатора;
160 - элемент усиления;
170 - пятно накачки;
171 - первое пятно накачки;
172 - второе пятно накачки;
191 - излучаемый пучок накачки;
192 - отраженный пучок накачки;
193 - резонирующий пучок;
194 - лазерный пучок;
200 - первый оптический элемент;
270 - фокусирующая линза;
300 - манипулятор пучка;
400 - второй оптический элемент;
480 - отклонитель пучка;
500 - лазерная система;
525 - контроллер лазеров.