KR20200083499A - 다중 kW 급 청색 레이저 시스템 - Google Patents

다중 kW 급 청색 레이저 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 kW 급 청색(400-495nm) 섬유 전달식 레이저 및 모듈 구성을 벗어나지 않으면서 여기에 개시된 것과 다른 형태로 구현될 수 있다. 실시예에서, 레이저는 <5mm*mrad 빔 파라미터 곱을 갖는 레이저 빔을 전파하며, 재료 처리, 용점 및 라만 레이저 펌핑에 사용된다. 일 실시예에서, 레이저 시스템은 섬유-결합된 모듈의 통합이며, 결국 서브모듈로 구성된다. 일 실시예는 낮은 반사율 전방 패싯을 구비한 다수의 렌즈식 청색 반도체 이득 칩을 갖는 서브 모듈을 갖는다. 이들은 외부 공동 구조의 볼륨 브래그 격자를 사용함으로써 <1nm의 파장 확산을 갖는 파장으로 고정된다. 일 실시예는 다수의 서브모듈을 갖는 모듈을 가지며, 이들은 <10nm 의 대역폭으로 파장 다중화를 통해 조합된 이후 편광 빔 조합된다. 각각의 모듈의 출력은 낮은 NA 섬유 안에 섬유-결합된다. 일 실시예에서, kW-레벨 청색 레이저 시스템은 섬유 번들링(bundling) 및 다수의 모듈을 단일 출력 섬유안에 조합하는 것에 의해 구현된다.

Description

다중 kW 급 청색 레이저 시스템
본 발명은 예를 들어, 약 350nm 내지 약 700nm의 낮은 파장, 파장 레이저 에너지를 제공하는 고전력 레이저 시스템, 및 재료 처리 및 레이저 용접 적용을 포함하는 이 시스템 및 레이저 빔의 사용에 관한 것이다.
적외선(IR) 기반(예를 들어, 700nm보다 큰, 특히 1000nm 보다 큰 파장을 갖는) 적층(additive) 가공 시스템은 무엇보다도 구축 볼륨(build volume)과 구축 속도(build speed)를 제한하는 두 가지 짧은 입력(short comings)을 경험한다.
여기에 사용되는 것처럼, 달리 명시하지 않는한, "UV", "자외선", "UV 스펙트럼" 및 "스펙트럼의 UV 부분" 및 비슷한 용어는 그들의 가장 넓은 의미를 부여받아야 하며, 약 10nm 내지 약 400nm, 10nm 내지 400nm 파장의 광을 포함할 것이다.
여기에 사용되는 것처럼, 달리 명시하지 않는한, 용어 "고전력", "다중-킬로와트" 및 "다중-kW" 레이저 및 레이저 빔 및 이와 유사한 용어는 적어도 1KW 전력(낮은 전력이 아닌, 예를 들어 1kW 미만이 아닌), 적어도 2KW(예를 들어, 2KW 미만이 아닌), 적어도 3KW(예를 들어, 3KW 미만이 아닌), 1KW보다 큰, 2KW보다 큰, 3KW보다 큰, 약 1KW 내지 약 3KW, 약 1KW 내지 약 5KW, 약 2KW 내지 약 10KW 및 이 범위 내의 다른 전력뿐만 아니라 더 큰 전력을 갖는 레이저 빔을 제공하거나 전파하는 레이저 빔 및 시스템을 의미하고 포함한다.
여기에 사용되는 것처럼, 달리 명시하지 않는한, 용어 "가시적(visible)", "가시적 스펙트럼" 및 "스펙트럼의 가시적 부분" 및 유사한 용어는 그들의 가장 넓은 의미를 부여받아야 하며, 약 380nm 내지 약 750nm, 400nm 내지 700nm 파장의 광을 포함할 것이다.
여기에 사용되는 것처럼, 달리 명시하지 않는한, 용어 "청색 레이저 빔", "청색 레이저" 및 "청색"은 그들의 가장 넓은 의미를 부여받아야 하며, 일반적으로 레이저 빔, 또는 약 400nm 내지 약 495nm의 파장을 갖는 광을 제공, 예를 들어, 전파하는, 레이저 빔, 레이저 빔들, 예를 들어 레이저 및 다이오드 레이저인 레이저 공급원을 제공하는 시스템을 지칭한다.
여기에 사용되는 것처럼, 달리 명시하지 않는한, 용어 " 녹색 레이저 빔", "녹색 레이저" 및 "녹색"은 그들의 가장 넓은 의미를 부여받아야 하며, 일반적으로 레이저 빔, 또는 약 495nm 내지 약 570nm의 파장을 갖는 광을 제공, 예를 들어 전파하는, 레이저 빔, 레이저 빔들, 예를 들어 레이저 및 다이오드 레이저인 레이저 공급원을 제공하는 시스템을 지칭한다.
일반적으로, 여기에 사용되는 것처럼, 용어 "약(about)"은, 달리 명시하지 않는한, ±10%의 분산 또는 범위, 명시된 값을 취득하는 것과 관련된 실험적 또는 기기 오차, 및 바람직하게는 이들 중 더 큰 것을 포함하는 것을 의미한다.
여기에 사용되는 것처럼, 달리 명시하지 않는한, 값의 범위, 범위, 약 "x" 내지 약 "y", 및 유사한 이러한 용어 및 정량의 열거는 각각의 항목(item), 특징(feature), 값(value), 그 범위 내에 들어 있는 량(amount) 또는 수량(quantity)을 포함한다. 여기에 사용되는 것처럼, 달리 명시하지 않는한, 범위 내의 각각의 모든 개별 지점은 여기에 개별적으로 연거되는 것처럼, 본 명세서에 포함되며, 본 명세서의 일부이다.
본 발명의 배경기술 부분은 본 발명의 실시예와 관련될 수 있는, 기술의 다양한 양태를 소개하기 위한 것이다. 따라서, 이 부분에서의 상기 논의는 본 발명을 더욱 잘 이해하기 위한 근거를 제공하며, 종래 기술을 인정하는 것으로 간주되어서는 안된다.
본 발명은 기술을 발전시키고 고전력 청색, 청색-녹색 및 녹색 레이저를 제공하고 활용하는 장기적인 요구를 해결하며; IR 적층 가공 시스템 및 프로세스로 장기적인 요구에 대한 해결책을 제공하며, 이들 및 다른 장기적인 요구 뿐만 아니라 적층 가공 프로세스 및 시스템이 더욱 널리 보급됨에 따라 미래의 요구도 해결한다. 본 발명은, 무엇보다도, 여기에 교시되고 개시된 가공 물품, 장치 및 프로세스를 제공함으로써 기술을 발전시키고 이 문제 및 요구를 해결한다.
따라서, 50 내지 200 ㎛의 섬유 안으로 100와트보다 많이 발사하는 청색 레이저 다이오드 시스템(400nm-495nm)이 제공된다.
또한, 150㎛의 섬유 안으로 1000와트보다 많이 발사하는 고전력 청색 레이저 다이오드 시스템(400nm-495nm)이 제공된다.
또한, 라만 섬유 레이저 또는 가공 재료를 펌핑하기 위해 약 5mm-mrad 빔 파라미터 곱을 구비한 고전력 청색 레이저 다이오드 시스템(400nm-495nm)이 제공되며; 이러한 재료 가공은 예를 들어, 용접, 절단(cutting), 피복(cladding), 및 3-d 인쇄를 포함한다.
또한, 라만 섬유 레이저 또는 가공 재료를 펌핑하기 위해 약 10mm-mrad 빔 파라미터 곱을 구비한 고전력 청색 레이저 다이오드 시스템이 제공된다.
또한, 고전력 라만 레이저 시스템 및 가공 재료를 펌핑하는데 사용될 수 있는 충분히 좁은 합성 빔(<10nm)을 생성하기 위해 스펙트럼적으로 빔 조합된 고전력 청색 다이오드 레이저 시스템이 제공된다.
또한, 고전력 라만 레이저 시스템 및 가공 재료를 펌핑하는데 사용될 수 있는 충분히 좁은 합성 빔(<10nm)을 생성하기 위해 스펙트럼적으로 빔 조합된 고전력 청색 다이오드 레이저 시스템이 제공되며, 고전력 청색 다이오드 레이저 시스템은 스펙트럼적으로 빔을 조합하는데 프리즘을 사용한다.
또한, 고전력 라만 레이저 시스템 및 가공 재료를 펌핑하는데 사용될 수 있는 충분히 좁은 합성 빔(<10nm)을 생성하기 위해 스펙트럼적으로 빔 조합된 고전력 청색 다이오드 레이저 시스템이 제공되며, 고전력 청색 다이오드 레이저는 스펙트럼적으로 빔을 조합하는데 회절 소자를 사용한다.
또한, 고전력 라만 레이저 시스템 및 가공 재료를 펌핑하는데 사용될 수 있는 충분히 좁은 합성 빔(<10nm)을 생성하기 위해 스펙트럼적으로 빔 조합된 고전력 청색 다이오드 레이저 시스템이 제공되며, 고전력 청색 다이오드 레이저는 스펙트럼적으로 빔을 조합하는데 볼륨 브래그 격자(volume Bragg grating)를 사용한다.
또한, 고전력 라만 레이저 시스템 및 가공 재료를 펌핑하는데 사용될 수 있는 충분히 좁은 합성 빔(<10nm)을 생성하기 위해 스펙트럼적으로 빔 조합된 고전력 청색 다이오드 레이저 시스템이 제공되며, 고전력 청색 다이오드 레이저는 스펙트럼적으로 빔을 조합하는데 유전체 코팅을 필터로서 사용한다.
또한, 라만 섬유 레이저 또는 가공 재료를 펌핑하기 위해 약 5mm-mrad 빔 파라미터 곱을 구비한 100-1000W 전력의 청색 레이저 다이오드 시스템이 제공된다.
또한, 라만 섬유 레이저 또는 가공 재료를 펌핑하기 위해 10mm-mrad 빔 파라미터 곱을 구비한 100-1000W 전력의 청색 레이저 다이오드 시스템이 제공된다.
또한, 고전력 라만 레이저 시스템 또는 가공 재료를 펌핑하는데 사용될 수 있는 충분히 좁은 합성 빔(<10nm)을 생성하기 위해 스펙트럼적으로 빔 조합되는 100-1000W 전력의 청색 레이저 다이오드 시스템이 제공된다.
또한, 고전력 라만 레이저 시스템 또는 가공 재료를 펌핑하는데 사용될 수 있는 충분히 좁은 합성 빔(<10nm)을 생성하기 위해 스펙트럼적으로 빔 조합되는 100-1000W 전력의 청색 레이저 다이오드 시스템이 제공되며, 고전력 청색 다이오드 레이저 시스템은 스펙트럼적으로 빔을 조합하는데 프리즘을 사용한다.
또한, 고전력 라만 레이저 시스템 또는 가공 재료를 펌핑하는데 사용될 수 있는 충분히 좁은 합성 빔(<10nm)을 생성하기 위해 스펙트럼적으로 빔 조합되는 100-1000W 전력의 청색 레이저 다이오드 시스템이 제공되며, 고전력 청색 다이오드 레이저는 스펙트럼적으로 빔을 조합하는데 회절 소자를 사용한다.
또한, 고전력 라만 레이저 시스템 또는 가공 재료를 펌핑하는데 사용될 수 있는 충분히 좁은 합성 빔(<10nm)을 생성하기 위해 스펙트럼적으로 빔 조합되는 100-1000W 전력의 청색 레이저 다이오드 시스템이 제공되며, 고전력 청색 다이오드 레이저는 스펙트럼적으로 빔을 조합하는데 볼륨 브래그 격자(volume Bragg grating)를 사용한다.
또한, 고전력 라만 레이저 시스템 또는 가공 재료를 펌핑하는데 사용될 수 있는 충분히 좁은 합성 빔(<10nm)을 생성하기 위해 스펙트럼적으로 빔 조합되는 100-1000W 전력의 청색 레이저 다이오드 시스템이 제공되며, 고전력 청색 다이오드 레이저는 스펙트럼적으로 빔을 조합하는데 유전체 코팅을 기초로 하는 다이크로익 필터(dichroic filter) 세트를 사용한다.
따라서, 약 400nm 내지 약 495nm의 스펙트럼 범위의 파장을 갖는 최종 출력 레이저 빔을 갖는, 100 - 1000W 전력의, 더욱 바람직하게는, 다중-kW 레이저 빔을 제공하는 레이저 시스템이 제공되는데, 이 시스템은 1, 2, 5, 10 및 100개의 섬유 -결합 모듈을 포함하며, 각각의 모듈은 1, 2, 5, 10 및 100개의 서브모듈을 갖는다. 서브모듈은 레이저 다이오드의 안정적인 잠금을 위해 최적화된 출력 패싯(facet) 반사율과 함께, GaN 재료 시스템으로부터 1, 2, 5, 10 및 100개의 렌즈형 청색 반도체 이득 칩(gain chip)을 가지며; 바깥쪽을 바라보는 낮은 반사율 패싯 및 하부 이득 칩 전방에 부착된 고속 축-시준 렌즈와 함께, 열 전도성 서브-마운트상에 장착된다. 렌즈형 청색 반도체 이득 칩(gain chip)은 고속 축(fast axis) 빔조각(beamlet)을 최적으로 정렬하기 위해 외부 공동안의 계단 히트싱크(staircase heatsink)상에 장착된다. 이 이득 칩들은 각각의 이득 칩이 저속 축 시준 렌즈에 의해 시준된 자체의 저속 축을 갖도록 구성된다. 볼륨 브래그 격자는 저속 축 시준기(collimator) 전방에 배치되어 레이저에 직접 피드백을 제공하여 레이저를 사전결정된 파장으로 고정시킬 수 있다. 대안적으로, 볼륨 브래그 격자는 고속 축 시준기 또는 저속 축 시준기에 필수적일 수 있다. 또한, 볼륨 브래그 격자는 터닝 거울(turning mirror) 뒤에 배치되어 외부 공동을 생성할 수 있다. 각각의 이득 장치의 편광은 외부 공동안에서 유지된다.
따라서, 약 400nm 내지 약 495nm의 스펙트럼 범위의 파장을 갖는 최종 출력 레이저 빔을 갖는, 100 - 1000W 전력의, 더욱 바람직하게는, 다중-kW 레이저 빔을 제공하는 레이저 시스템이 제공되는데, 이 시스템은 1, 2, 5, 10 및 100개의 섬유 -결합 모듈을 포함하며, 각각의 모듈은 1, 2, 5, 10 및 100개의 서브모듈을 갖는다. 서브모듈은 레이저 다이오드의 안정적인 잠금을 위해 최적화된 출력 패싯(facet) 반사율과 함께, GaN 재료 시스템으로부터 1, 2, 5, 10 및 100개의 렌즈형 청색 반도체 이득 칩(gain chip)을 가지며; 바깥쪽을 바라보는 낮은 반사율 패싯 및 하부 이득 칩 전방에 부착된 고속 축-시준 렌즈와 함께, 열 전도성 서브-마운트상에 장착된다. 렌즈형 청색 반도체 이득 칩(gain chip)은 고속 축(fast axis) 빔조각(beamlet)을 최적으로 정렬하기 위해 외부 공동안의 계단 히트싱크(staircase heatsink)상에 장착된다. 이 이득 칩들은 각각의 이득 칩이 저속 축 시준 렌즈에 의해 시준된 자체의 저속 축을 갖도록 구성된다. 개별 이득 칩의 출력은 섬유 브래그 격자를 구비한 광 섬유안에 결합되어 소자를 특정 파장에 고정할 수 있다. 섬유의 출력은 이제 각각의 서브모쥴에 대해 상이한 파장에 있고, 다이크로익 필터, 볼륨 브래그 격자, 투과(transmission) 격자, 또는 프리즘에 의해 스펙트럼적으로 조합될 수 있다.
따라서, 약 400nm 내지 약 495nm의 스펙트럼 범위의 파장을 갖는 최종 출력 레이저 빔을 갖는, 100 - 1000W 전력의, 더욱 바람직하게는, 다중-kW 레이저 빔을 제공하는 레이저 시스템이 제공되는데, 이 시스템은 1, 2, 5, 10 및 100개의 섬유 -결합 모듈을 포함하며, 각각의 모듈은 1, 2, 5, 10 및 100개의 서브모듈을 갖는다. 서브모듈은 개별 장치의 파장을 사전결정된 값에 설정하기 위한 일체형 브래그 격자와 함께, GaN 재료 시스템으로부터 1, 2, 5, 10 및 100개의 렌즈형 청색 반도체 이득 칩(gain chip)을 갖는다. 칩은 바깥쪽을 바라보는 장치의 출력 전력에 대해 최적화된 출력 패싯 반사율 및 이득 칩 전방에 부착된 고속 축-시준 렌즈와 함께, 열전도성 서브-마운트상에 장착된다. 렌즈형 청색 반도체 이득 칩(gain chip)은 고속 축(fast axis) 빔조각(beamlet)을 최적으로 정렬하기 위해 외부 공동안의 계단 히트싱크(staircase heatsink)상에 장착된다. 이 이득 칩들은 각각의 이득 칩이 저속 축 시준 렌즈에 의해 시준된 자체의 저속 축을 갖도록 구성된다. 이 칩의 출력은 이제 각각의 서브모쥴에 대해 상이한 파장에 있고, 다이크로익 필터, 볼륨 브래그 격자, 투과(transmission) 격자, 또는 프리즘에 의해 스펙트럼적으로 조합될 수 있다.
약 350nm 내지 약 700nm의 낮은 파장, 파장 레이저 에너지를 제공하는 고전력 레이저 시스템, 및 재료 처리 및 레이저 용접 적용을 포함하는 다중 kW 급 청색 레이저 시스템을 제공할 수 있다.
도1은 본 발명에 따르는, 0.045nm의 선폭을 구비한 특정 파장에 고정된 단일 청색 소자에 대해, 광학 스펙트럼 분석기에 의해 생성된 스펙트럼이다.
도1a는 도1의 0.045nm 의 선폭을 구비한 특정 파장에 고정된 단일 청색 이득 소자에 대한 스펙트럼을 나타내는 차트이다.
도2는 본 발명에 따르는 특정 파장을 구축하기 위해 일체형 VBG를 구비한 렌즈형 칩 온 서브마운트(LCOS)의 서브모듈의 일 실시예의 개략도이다.
도3은 본 발명에 따르는, 일체형 VBG가 없는, 6개의 LCOS의 서브모듈의 일 실시예의 개략도이다.
도4는 본 발명에 따르는, 도2에 도시된 유형의 6개의 서브모듈의 2개의 열을 갖는 레이저 모듈의 개략도이다.
도5a는 도5의 실시예의 개략적인 블록도이다.
도6은 본 발명에 따르는, 도3에 도시된 유형의 서브모듈의 2개의 열을 갖는 VGB가 없는 조밀한 파장 빔 조합 시스템의 개략도이다.
도7 및 7a는 본 발명에 따르는 도4의 각각의 필터의 대역통과 기능의 스펙트럼이다(x-축은 나노미터(nm)의 파장이고 y-축은 % 투과임).
도8은 본 발명에 따르는 스펙트럼 빔 조합(SBC 어셈블리의 일 실시예의 사시도이다.
도9는 본 발명에 따르는 도6의 필터의 대역통과 기능의 스펙트럼이다(x-축은 나노미터(nm)의 파장이고 y-축은 % 투과임).
도10은 본 발명에 따르는, 계단 베이스판상의 도2에 도시된 유형의 서브모듈의 사시도이다.
도11은 본 발명에 따르는 LCOS의 사시도이다.
일반적으로, 본 발명은 고전력 저 파장 레이저 시스템, 이 높은 전력 레이저 빔을 달성하기 위한 빔 결합 및 이 빔에 대한 응용 및 사용에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 실시예들은 재료 처리 및 레이저 용법 응용에 사용되며, 특히 약 400nm 내지 약 495nm의 파장 범위의 파장의, 다중-kW-급 청색 섬유-결합된 레이저 시스템에 관한 것이다. 이 레이저들의 실시예는 외부 공동안에서 계단 빔 결합, 파장 다중화, 편광 빔 결합 및 섬유 빔 조합을 통해 전력 조합되는 다수의 청색 반도체 이득 칩을 갖는다.
또한, 특히, 본 발명의 일 실시예는 400nm 내지 495 스펙트럼 범위, 및 약 400nm 내지 약 495 스펙트럼 범위에서 동작하는 다중-kW-레벨 청색 레이저 시스템에 대한 구조를 다룬다. 레이저는 6mm-mrad(mm*mrad, 또는 mm mrad, 즉, mm x mrad) 미만의 빔 파라미터 곱(BPP)을 달성할 수 있다. 이 유형의 레이저는 스펙트럼의 청색 영역에서 높은 광 흡수를 갖는 재료의 처리 또는 용접에 매우 바람직하며, Cu가 일 예이다. 이 유형의 레이저는 라만 레이저를 펌핑하거나, 다른 것 중에서 희토류 도핑된 섬유 레이저를 펌핑하는데 매우 바람직하다.
본 발명의 레이저 시스템의 실시예는 스펙트럼의 청색 파장(약 400 내지 약 495nm), 및 더욱 바람직하게는 400nm 내지 475nm 범위의 방출을 하는 다중 kW 레이저 시스템이고, 재료 처리 및 응용에 매우 효과적이며, 짧은 방출 파장은 사실상 모든 금속, 특히 Cu 및 Au에 대해 우선적으로 흡수되는데, IR 레이저 소스를 사용하여 처리하기는 어렵다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 레이저 시스템은 효율적인 섬유 결합을 가능하게 하는 약 5mm * mrad의 빔-파라미터-곱을 갖는, 다중-kW 레이저 빔을 달성한다.
본 발명에 의한 기술의 진보 중 하나이며, 본 발명의 실시예를 기초로 하고 활용되는 것은, 오직 0.045nm의 라인 폭을 구비한 특정 파장에 청색 레이저 다이오드 이득 칩의 파장을 고정하는 능력이다. 이러한 고정된 파장 레이저 빔의 실시예에 대한 스펙트럼은 도1 및 1a에 도시되어 있다. 약 400 내지 495nm의 파장 범위의, 약 0.050nm 이하의 선폭, 약 0.040nm 이하의 선폭, 0.050nm 내지 0.350nm의 선폭으로 고정된 파장이 고려된다. 청색 레이저 다이오드 이득 칩을 고정하는 능력은 예를 들어 GaN의 파장 고정 결과를 기초로 하는 모듈식의 조밀한 파장 빔 조합 설계를 가능하게 한다.
좁은 라인폭은 예를 들어 전방 패식상에 최적화된 코팅 반사율로 조합된 외부 피드백 필터로서 볼륨 브래그 격자를 사용함으로써 달성된다. 최적화된 코팅은 좁은 고정된 선폭을 달성하는데 도움이 되며, 그 이유는 무엇보다도 서브공동(subcavity)으로 인한 임의의 기생 진동을 억제하기 때문이다. 억제되게 하는 서브공동은 레이저 다이오드 소자 자체, 또는 레이저 다이오드와 시준 광학계 또는 VGB 자체와 같은 외부 광학 소자 사이의 서브공동을 포함한다.
본 발명의 실시예는 특정 파장에 고정된 개별 서브모듈을 포함하는 가변(scalable) 레이저 시스템이다. 이 서브모듈들은 조밀한 파장 빔 조합을 사용하여 조합되고 서브모듈의 제2 레그(leg)와의 편광 빔 조합이 이어진다. 결과적인 빔은 렌즈와 섬유 결합되어 직접 사용되거나, 높은 출력 전력을 달성하기 위해 다름 모듈과 추가로 조합되거나, 라만 이득 섬유안에 결합된다.
서브 모듈의 실시예는 낮은 반사율 전반 패싯을 구비한 다수의 렌즈형 청색 반도체 이득 칩으로 구성된다. 반도체 이득 칩은 GaN 재료 시스템으로 제조되며 청색 및 녹색 LED 및 청색 레이저 다이오드의 제조에 널리 사용된다. 이득 칩들은 열전도성 서브-마운트상에 장착되며, 낮은 반사율 패싯은 바깥쪽을 향한다. 고속 축 시준(FAC) 렌즈는 방출된 광을 고속 축으로 시준하기 위해 이득 칩의 전방에 부착된다. 렌즈형 칩 온 서브-모듈은 LCOS로서 줄여쓴다.
일 실시예에서, LCOS 소자는 외부 공동의 계단 구조안에 장착된다. 일반적으로 원하는 빔 파라미터 곱에 따르는 서브모듈안에 둘 이상의 LCOS 소자가 존재한다. LCOS의 저속 축은 개별적인 저속 축 시준 렌즈, 또는 SAC에 의해 시준된다. LCOS 소자는 전기 전도성 또는 전기 절연 기판상에 존재할 수 있으며 직렬로, 또는 직렬/병렬 조합으로 전기적으로 연결될 수 있다. 와이어 본딩(wire bonding)은 전형적으로 서브모듈 전극에 LCOS 소자를 연결하는데 사용된다. 터닝 거울은 고속 축에 시준된 광을 쌓고, 예를 들어 볼륨 브래그 격자(VBG)인 아웃커플링 소자, 에 전달하는데 사용된다. 터닝 거울은 유리하게도 단일 광학 소자의 SAC와 조합될 수 있다. 외부 공동 구조안의 파장 고정은 서브모듈 어셈블리에 대해 <1nm, 전형적으로는 <0.1nm의 스펙트럼 대역폭을 야기한다.
일 실시예에서, LCOS 소자는 외부 공동안의 계단 구조안에 장착된다. 전형적으로 원하는 빔 파라미터 곱에 따르는 서브모듈안에 둘 이상의 LCOS 소자가 존재한다. LCOS의 저속 축은 개별적인 저속 축 시준 렌즈, 또는 SAC에 의해 시준된다. LCOS 소자는 전기 전도성 또는 전기 절연 기판상에 존재할 수 있으며 직렬로, 또는 직렬/병렬 조합으로 전기적으로 연결될 수 있다. 와이어 본딩(wire bonding)은 전형적으로 서브모듈 전극에 LCOS 소자를 연결하는데 사용된다. 이 실시예에서, VBG는 SAC안에 통합되어 저속 축 안의 시준 및 GaN 이득 소자의 고정 모두를 제공한다. 외부 공동 구조안의 파장 고정은 서브모듈 어셈블리에 대해 <1nm, 전형적으로는 <0.1nm의 스펙트럼 대역폭을 야기한다.
일 실시예에서, LCOS 소자는 외부 공동안의 계단 구조안에 장착된다. LCOS 소자는 한 쌍의 FAC 및 SAC 렌즈에 의해 시준된다. 시준된 LCOS 소자의 출력은 반사성 또는 투과성 회절 격자로 보내진다. 각각의 격자로부터의 리트로(littrow) 반사는 LCOS 소자를 고정할뿐만 아니라 LCOS/격자 외부 공동의 출력을 모듈의 다른 고정된 소자를 조합하는데 사용되는 다이크로익 필터로 다시 보내는데 사용될 수 있다.
특정 파장에 고정된 개별 서브모듈은 다음에 대역통과, 장역 통과, 단역 통과 디이크로익 필터, VBG, 또는 회절 격자 및 프리즘을 사용하여 더 높은 전력 모듈안에 조합된다. 서브모듈은 이 기술과 조합되어 <10nm 의 대역폭을 구비한 모듈을 생성할 수 있다. 추가의 전력 스케일링은 예를 들어 한 쌍의 파장 조합된 서브모듈을 조합하기 위해 편광 빔 조합 방법을 사용함으로써 달성될 수 있다. 전형적인 모듈은 모듈 내부에 두 세트의 13개 서브모듈 또는 그 이상을 사용할 수도 있다. 13개 서브 모듈의 각각의 세트는 전형적으로 <10nm의 파장 확산을 갖는다. 두 세트는 편광 빔 조합을 통해 조합되는데, 광대역 파장판이 한 그룹의 서브모듈 의 편광을 회전시키는데 사용되거나 한쌍의 이미지 회전 거울이 서브모듈의 두 개의 개별 그룹을 중첩시키기 위해 무색(achromatic) 편광 회전자로서 사용된다. 서브모듈은 그 다음에 포커싱 렌즈를 사용하여 낮은 NA 섬유 안에 섬유-결합된다. 모듈은 밀폐된 인클로져안에 들어 있으며 히드싱크 상에 장착된다. 히트싱크는 종래의 열 교환기이거나 매크로-채널 또는 마이크로-채널 유형일 수 있다. 상이한 유형의 히크싱크의 예는 다이오드 레이저 히트싱크 설계,Fraunhofer-Institut fur LasertechnikILT,(Jan2007),http://ilt.fraunhofer.de/ilt/pdf/eng/products/Heatsinks.pdf에 제공되며, 그 전체 내용은 여기에 참고로 포함된다.
일 실시예에서, 다중 kW-레벨 청섹 레이저 시스템은 섬유 번들링에 의해 및 다수의 모듈을 단일 출력 섬유안에 조합함으로써 실현된다. 다수의 모듈은 하나의 섬유 커플러(coupler)에 대해 N으로 지정된 섬유 커플러를 사용하여 조합되며, N>1은 원하는 출력 섬뮤에 대해 최적화된 기하학적 패턴으로 배열된 입력 섬유의 수이다. 섬유 및 섬유 커플러 부품은 스펙트럼의 청색 영역안에서 낮은 흡수 및 높은 솔라이제이션(solarization) 저항성을 위해 선택되며 섬유 커플러의 제조는 청색 광 투과에 대해 최적화된다.
광학 트레인 이외에, 이 다중 kW 레이저 시스템의 실시예는 무엇보다도: 냉각 매니폴드(manifold), 전자/전원 공급장치, 안전 인터록(safety interlock), 광학 전력 모니터링 검출기 및 온도 모니터링 센서를 포함할 수 있다.
본 레이저 시스템에 사용하기 위한 바람직한 다이오드는 일반적으로 우수한 출력 전력, 효율성 및 신뢰성을 갖는 청색 GaN 레이저 다이오드이다. 이 다이오드들은 본 레이저 시스템의 실시예에서 이득 소자(정렬 및 고정을 위해 최적화된 출력 패싯 코팅의 반사율을 구비한)로서 사용된다. 실시예는 서브모듈 레벨에서 계산 외부 공동 구조안에 개별 레이저를 사용함으로써 개별 레이저의 방출된 전력을 추가한다. 계단 구조는 고속 축 렌즈가 적층된 레이저 소브의 원하는 수직 피치보다 큰 다수의 레이저 다이오드를 조합할 때 레이저 자이오드 빔의 더욱 조밀한 패킹(packing)을 허용한다. 또한, 실시예에서, 섬유 결합된 모듈 레벨에서 서브모듈을 조합하는 것은 서브모듈의 파장 다중화(multiplaxing) 및 편광 빔 조합에 의해 달성된다.
실시예에서, 복수의 모듈(전형적인 수는 7)은 섬유 전력 조합을 통해 조합된다. 이 실시예는 더 많은 전력을 어셈블리에 추가하면서 시스템 레벨에서 방출된 방사휘도(명도)를 최대화하는 각각의 단계에 의해, 외부 공동의 계단 빔 조합, 파장 다중화 및 편광 및 섬유 전력 빔 조합을 사용하는, 청색 이득 칩의 고유한 빔 조합 시퀀스를 갖는다. 개별 레이저 다이오드의 사용은 시스템이 가능한 한 가장 높은 휘도를 갖도록 설계할 수 있어 섬유 전력 빔 조합 방법이 일관성없는 전력 스케일링에 대해 사용될 수 있도록 하면서 용접, 절단 또는 다른 레이저를 펌핑하기에 충분한 휘도를 구비한 레이저 소스를 생성할 수 있도록 한다.
스펙트럼의 청색 영역의 상업용 GaN 다중모드 레이저 다이오드는 단일 이미터(emitter)로부터 몇 와트의 전력을 달성할 수 있다(예를 들어 440-455nm 파장 범위에서 3.5W 전력 등급인 Nichia NDB7K75 다중-모드 단일 이미터 부품 참조, 제품 설명은 http://www.nichia.co.jp/en/product/laser.html에서 확인할 수 있다). 복수의 GaN 청색 다중모드 반도체 레이저 다이오드 또는 등가의 이득 소자의 전력은 건설적으로 추가되면서, kW 전력 레벨을 실현하기 위해 휘도를 최대화한다.
일 실시예에서, 본 레이저 시스템의 시작 또는 기본 부품은 렌즈형 칩 온 서브-마운트(Lensed Chip On Sub-mount, LCOS) 이득 소자이다. LCOS는 예를 들어, GaN-기반 반도체 이득 칩으로 구성되며, GaN은 청색 LED 및 레이저 다이오드를 만드는데 널리 사용되는 재료 시스템이다. 이 실시예에서, 청색 레이저 다이오드 이득 소자는 외부 공동 구조안에 파장 고정을 용이하게 하기 위해 전방 방출 패싯상에 낮은 반사율(Lower Reflectivity, LR) 코팅(< 10%)을 갖는다. 낮은 반사율 코팅은 광대역 고정을 가능하게 할 뿐만 아니라 렌즈 정렬 및 부착 도중 칩의 레이징을 허용하기 위해 최적화되도록 선택된다. 바람직하게는, 이득 칩은 서브-마운트상에 용접되며, 예를 들어, SiC, 다이아몬드, Cu, CuW, 또는 Cu-AlN-Cu를 포함하는 다수의 재료로 만들어질 수 있다.
청색 이득 칩은 땜납(solder)을 사용하여 서브마운트에 부착되는데, Sn 및 Au-Sn과 같은 Sn계 합금, 또는 In 및 In-계 합금 또는 Nanofoil®(열 펄스 후 자체-지속 발열 반응을 겪는 반응성 다층 포일재료에 대해 Indium Corporation에 의한 상표명)과 같은 다수의 땜납 재료로부터 나온다. 이득 소자의 고속 축은 고속 축 시준기(FAC)를 사용하여 시준된다. 칩 온 서브-마운트(COS) 장치는 IR 다이오드 시스템안에 적용되는 것이 발견되었지만(예를 들어, WO2016/160547, 및 US 9,450,377 및 US6,044,096 참고, 전체 내용은 여기에 참고로 포함됨), 청색 파장 범위의 LCOS에 대해 수용된 상업적 응용을 일반적으로 가지지 않았다고 생각된다. 청색을 위한 본 FAC 렌즈의 구조는 고유 파장 범위, 이득 칩 설계에 맞춰지며, 제조 제약조건에 의해 지정된 높이, 및 서브-마운트 크기에 대한 고려사항을 포함할 수 있다.
일반적으로, 레이저 다이오드의 계단 빔 조합은 US2004/0114648, US7,738,178, US7,7339,32, US7,668,214, US7,773,655, US8,427,749, US8,432,945, US8,437,086, US9,373,932 및 US9,318,876에 교시되고 개시되어 있으며, 이들 각각의 전체 내용은 여기에 참고로 포함된다.
본 발명의 실시예에서, 레이저 다이오드의 계단 빔 조합은 청색 GaN 방출 레이저 다이오드 또는 청색 GaN 이득 칩(저 반사(LR) 코팅 칩)에 대한 것이며, 바람직하게는 이득 칩이 외부 공동안에 위치하는 구조에 대한 것이다.
본 발명의 실시예는 볼륨 브래그 격자(VBG)를 사용하는, 외부 공동 구조안의 청색 LR 코팅된 이득 팁을 아웃커플링 소자로서 사용한다. 일 실시예에서, 빔 조합 접근법은, 바람직하게는 5mm-mrad 미만의 빔 파라미터 곱을 갖는, 다중-kW, 청색 파장을 제공하는, 예를 들어, 외부 공동안에 계단 빔 조합, 외부 공동안에 패턴화된 거울 조합, 10nm 대역폭내서 다중화에 의한 파장 빔 조합, 편광 빔 조합, 섬유 조합, 및 통합 시스템을 실현하기 위한 이들의 조합 및 변형을 포함한다.
본 발명의 실시예에 사용될 수 있는 VBG는, 예를 들어, US7,394,842 및 US7,031,573에 개시되어 있으며, 그 전체 내용은 여기에 참고로 포함된다. 본 발명의 실시예에 사용될 수 있는 섬유 커플러(coupler)/스플리터(splitter)는 예를 들어, US7,218,828 및 US7,532,792에 개시되어 있으며, 그 전체 내용은 여기에 참고로 포함된다.
본 발명의 실시예는 수동적으로 냉각되거나(예를 들어, 냉각 매체, 예를 들어 히트 싱크, 대기, 또는 둘 다의 흐름 또는 강제 이동이 없음) 능동적으로 냉각될 수 있다. 능동 냉각의 예는 가스, 예를 들어, 공기의 흐름, 다이오드에 의해서 및 다잉오드와의 열 접촉에 의한 액체 냉각 유체, 예를 들어 물의 흐름을 포함한다. 레이저 다이오드에 대한 물-냉각 시스템은 US9,413,136에 개시되어 있으며, 그 전체 내용은 여기에 참고로 포함된다.
일 실시예에서, 광학 장치는 스펙트럼의 청색 파장(400-495nm)에서 방출되는 다중-kW의 레이저 방사선을 생성하도록 구성되며, 광학 장치는 다음을 포함한다:
a) 각각의 모듈이 N 서브모듈로 구성되는 M개의 섬유-결합 모듈로서, M>1 이고 N>1; ⅰ. 서브모듈은 GaN 재료 시스템으로부터의 P개의 렌즈형 청색 반도체 이득 칩으로 구성되며, 고정을 위해 최적화된 낮은 반사율을 구비한 전방 패싯상에 코팅을 구비하고; 및 ⅱ. 바깥쪽을 향하는 낮은 반사율 패싯을 구비하고 이득 칩의 전방에 부착된 고속 축-시준 렌즈를 구비한 열 전도성 서브-마운트상에 장착되고; 및 ⅲ. 렌즈형 청색 반도체 이득 칩은 사전결정된 파장에 이득 소자의 파장을 최적으로 고정하기 위해 외부 공동안의 계단 히트싱크 상에 장착되고; ⅳ. 각각의 이득 디바이스의 편광은 외부 공동 디자인안에 유지됨;
b) 섬유-결합된 모듈은 다수의 서브 모듈을 포함함; ⅰ. 서브모듈의 두 세트 이상은 <10nm의 대역폭으로 다중화하는 파장을 통해 조합되고; ⅱ.반면에, 두 세트의 파장 다중화된 서브모듈은 편광 빔 조합을 통해 조합되고; 및 ⅲ. 상기 모듈은 밀폐된 인클로저 안에 들어 있으며 히트싱크 상에 장착됨; 및
c) 다수의 모듈의 섬유가 묶여져 단일 출력 섬유로 조합되어, kW-레벨 청색 레이저 시스템을 생성한다.
이 레이저 시스템, 모듈, 서브 모듈 및 방법의 실시예는 다음 특징 중 하나 이상을 가질 수 있다:광학 장치의 이득 소자의 출력은 시준되고 회전 거울에 의해 다음 빔 조합 소자로 다시보내지고; 광학 장치의 이득 소자의 출력은 시준되고 바깥쪽을 향하는 낮은 패싯 반사율을 구비한 GaN 이득 소자를 포함하는 다음 빔 조합 소자; 및 바깥쪽을 향하는 낮은 패싯 반사율을 구비한 GaN 이득 소자를 포함하는 고속 축 시준 렌즈와 통합된 볼륨 브래그 격자; 및 바깥쪽을 향하는 낮은 패싯 반사율을 구비한 GaN 이득 소자를 포함하는 고속 축 시준 렌즈 이후의 볼륨 브래그 격자; 및 바깥쪽을 향하는 낮은 패싯 반사율을 구비한 GaN 이득 소자를 포함하는 저속 축 시준 렌즈 이후의 볼륨 브래그 격자; 및 저속 축 시준 렌즈 이후에 출력을 다이크로익 필터로 다시보내는, 바깥쪽을 향하는 낮은 패싯 반사율을 구비한 GaN 이득 소자를 포함하는 리트로우 구조에서 동작하는 반사성 회절 격자; 및 이득 소자에 피드백을 제공하고 출력을 다이크로익 필터로 다시보내기 위해 거울과 결합하여 동작하는, 바깥쪽을 향하는 낮은 패싯 반사율을 구비한 GaN 이득 소자를 포함하는 투과성 회절 격자; 및 피드백 및 GaN 이득 소자의 파장을 결정하기 위해 섬유에 내장된 섬유 브래그 격자를 갖는 광학 섬유 안에 결합된 출력을 구비한 시준 광학 시스템과 정렬되고, 상기 장치는 고속 축에서 <3.5mm*mrad의 빔 파라미터 곱을 갖는 레이저 빔을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하고; 상기 장치는 저속 축에서 <5mm*mrad의 빔 파라미터 곱을 갖는 레이저 빔을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하고; 상기 장치는 전체적으로 >3.5mm-mrad 이지만 <5nm-mrad인 빔 파라미터 곱을 갖는 레이저 빔을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하고; 상기 장치는 전체적으로 >5mm-mrad 이지만 <10nm-mrad인 빔 파라미터 곱을 갖는 레이저 빔을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하고; 상기 장치는 스펙트럼의 400-495nm 영역의 <10nm의 스펙트럼 방출을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하고; 상기 장치는 > 1 nm 이지만 < 5 nm, > 1 nm 이지만 < 10 nm, > 1 nm 이지만 < 15 nm, 및 >1 nm 이지만 < 20 nm의 스펙트럼 방출을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하고; 이득 칩 전방 패싯 반사율은 <10%인 것을 특징으로 하고; 이득 칩 전방 패싯 반사율은 >10% 이지만 < 15%, >15% 이지만 <20%, 및 >20% 이지만 < 30%를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하고; 각각의 서브모듈의 서브-마운트상에 P 렌즈형 청색 반도체 이득 칩이 존재하고, P>1인 것을 특징으로 하고; 렌즈형 청색 GaN-기반 반도체 이득 칩은 직렬, 또는 직렬/병렬 전기 조합으로 전기적으로 연결되고 서브모듈 전극에 와이어-본딩되는 것을 특징으로 하고; 섬유는 스펙트럼의 청색 영역안의 낮은 흡수를 위해 선택되어야 하고 섬유 커플러의 제조는 청색 광 투과에 대해 최적화되어야 하는 것을 특징으로 하고; 각각의 서브모듈은 외부 공동 구조안의 파장 고정에 이어 <1nm 스펙트럼 분포를 갖는 것을 특징으로 하고; 모듈 내부에 두 세트의 12개 서브모듈이 존재하는 것을 특징으로 하고; M 개의 모듈(M>1)은 선택된 출력 섬유 또는 출력 빔에 대해 최적화된 임의의 기하학적 패키징 배열의, K개의 (K>M) 입력 섬유를 구비한 섬유 커플러를 사용하여 조합되는 것을 특징으로 하고; kW 레이저 시스템은 냉각 매니폴드를 포함하는 것을 특징으로 하고; kW 레이저 시스템은 전자/전력 공급장치를 포함하는 것을 특징으로 하고; kW 레이저 시스템은 안전 인터록(safety interlock)을 포함하는 것을 특징으로 하고; kW 레이저 시스템은 광학-전력-모니터링 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하고; kW 레이저 시스템은 온도-모니터링 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 광학 장치는 스펙트럼의 청색 파장(400-495nm)에서 방출되는 다중-kW의 레이저 방사선을 생성하도록 구성되며, 광학 장치는 다음을 포함한다:
a) 각각의 모듈이 N 서브모듈로 구성되는 M개의 섬유-결합 모듈로서, M>1 이고 N>1; ⅰ. 서브모듈은 GaN 재료 시스템으로부터의 P개의 렌즈형 청색 반도체 이득 칩으로 구성되며, 고정을 위해 최적화된 낮은 반사율을 구비한 전방 패싯상에 코팅을 구비하고; 및 ⅱ. 바깥쪽을 향하는 낮은 반사율 패싯을 구비하고 이득 칩의 전방에 부착된 고속 축-시준 렌즈를 구비한 열 전도성 서브-마운트상에 장착되고; 및 ⅲ. 렌즈형 청색 반도체 이득 칩은 고속 축 빔조각을 최적으로 정렬하기 위해 외부 공동안의 계단 히트싱크 상에 장착되고; ⅳ. 각각의 이득 칩은 저속 축 시준 렌즈에 의해 시준되는 그 자신의 저속 축을 갖고 회전 거울에 의해 출력 커플러에 다시보내지는 방사선을 가짐; 및 ⅴ.각각의 LCOS는 이제 다이크로익 필터에 의해 정렬되고 출력 커플러는 각각의 이득 소자에 피드백을 제공하고, 다이크로익 필터는 이제 각각의 LCOS 어셈블리의 작동 파장을 결정함;
b) 섬유-결합된 모듈은 다수의 서브 모듈을 포함함; ⅰ. 두 세트의 서브모듈은 <10nm의 대역폭으로 다중화하는 파장을 통해 조합되고; ⅱ.반면에, 두 세트의 파장 다중화된 서브모듈은 편광 빔 조합을 통해 조합되고; 및 ⅲ. 상기 모듈은 밀폐된 인클로저 안에 들어 있으며 능동적으로 냉각되는 히트싱크 상에 장착됨; 및
c) 다수의 모듈의 섬유가 묶여져 단일 출력 섬유로 조합되어, kW-레벨 청색 레이저 시스템을 생성한다.
이 레이저 시스템, 모듈, 서브 모듈 및 방법의 실시예는 다음 특징 중 하나 이상을 가질 수 있다: 고속 축에서 <3.5mm*mrad의 빔 파라미터 곱을 갖는 것을 특징으로 하고; 저속 축에서 <5mm*mrad의 빔 파라미터 곱을 갖는 것을 특징으로 하고; 전체적으로 >3.5mm-mrad 이지만 <5nm-mrad인 빔 파라미터 곱을 갖는 것을 특징으로 하고; 전체적으로 >5mm-mrad 이지만 <10nm-mrad인 빔 파라미터 곱을 갖는 것을 특징으로 하고; 스펙트럼의 400-495nm 영역의 <10nm의 스펙트럼 방출을 갖는 것을 특징으로 하고; > 1 nm 이지만 < 5 nm, > 1 nm 이지만 < 10 nm, > 1 nm 이지만 < 15 nm, 및 >1 nm 이지만 < 20 nm의 스펙트럼 방출을 갖는 것을 특징으로 하고; 이득 칩 전방 패싯 반사율은 <10%인 것을 특징으로 하고; 이득 칩 전방 패싯 반사율은 >10% 이지만 < 15%, >15% 이지만 <20%, 및 >20% 이지만 < 30%인 것을 특징으로 하고; 각각의 서브모듈의 서브-마운트상에 P 렌즈형 청색 반도체 이득 칩이 존재하고, P>1인 것을 특징으로 하고; 렌즈형 청색 GaN-기반 반도체 이득 칩은 직렬, 또는 직렬/병렬 전기 조합으로 전기적으로 연결되고 서브모듈 전극에 와이어-본딩되는 것을 특징으로 하고; 섬유는 스펙트럼의 청색 영역안의 낮은 흡수를 위해 선택되어야 하고 섬유 커플러의 제조는 청색 광 투과에 대해 최적화되어야 하는 것을 특징으로 하고; 각각의 서브모듈은 외부 공동 구조안의 파장 고정에 이어 <1nm 스펙트럼 분포를 갖는 것을 특징으로 하고; 모듈 내부에 두 세트의 12개 서브모듈이 존재하는 것을 특징으로 하고; M 개의 모듈(M>1)은 선택된 출력 섬유 또는 출력 빔에 대해 최적화된 임의의 기하학적 패키징 배열의, K개의(K>M) 입력 섬유를 구비한 섬유 커플러를 사용하여 조합되는 것을 특징으로 하고; kW 레이저 시스템은 냉각 매니폴드를 포함하는 것을 특징으로 하고; kW 레이저 시스템은 전자/전력 공급장치를 포함하는 것을 특징으로 하고; kW 레이저 시스템은 안전 인터록(safety interlock)을 포함하는 것을 특징으로 하고; kW 레이저 시스템은 광학-전력-모니터링 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하고; kW 레이저 시스템은 온도-모니터링 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 광학 장치는 스펙트럼의 청색 파장(400-495nm)에서 방출되는 다중-kW의 레이저 방사선을 생성하도록 구성되며, 광학 장치는 다음을 포함한다:
a) 각각의 모듈이 N개의 서브모듈로 구성되는 M개의 섬유-결합 모듈로서, M>1 이고 N>1; ⅰ. 서브모듈은 GaN 재료 시스템으로부터의 P개의 렌즈형 청색 반도체 이득 칩으로 구성되며, 그 작동파장을 선택하기 위해 GaN 칩 안에 통합된 분포 브래그 또는 피드백 격자를 구비하고; 및 ⅱ. 바깥쪽을 향하는 낮은 반사율 패싯을 구비하고 레이저의 전방에 부착된 고속 축-시준 렌즈를 구비한 열 전도성 서브-마운트상에 장착되고; 및 ⅲ. 고속 축 시준 렌즈 이후에 저속 축 시준 렌즈를 구비한 열 전도성 히트싱크 상에 장착되고; 및 ⅳ. 렌즈형 청색 반도체 레이저는 계단 히트싱크 상에 장착되고; ⅴ. 각각의 레이저 디바이스의 편광은 레이저 디바이스의 도파관 구조에 의해 수립됨;
b) 섬유-결합된 모듈은 다수의 서브 모듈을 포함함; ⅰ. 두 세트 이상의 서브모듈은 <10nm의 대역폭으로 다중화하는 파장을 통해 조합되고; ⅱ.반면에, 두 세트의 파장 다중화된 서브모듈은 편광 빔 조합을 통해 조합되고; 및 ⅲ. 상기 모듈은 밀폐된 인클로저 안에 들어 있으며 히트싱크 상에 장착됨; 및
c) 다수의 모듈의 섬유가 묶여져 단일 출력 섬유로 조합되어, kW-레벨 청색 레이저 시스템을 생성한다.
이 레이저 시스템, 모듈, 서브 모듈 및 방법의 실시예는 다음 특징 중 하나 이상을 가질 수 있다: 광학 장치의 이득 소자의 출력은 시준되고 회전 거울에 의해 다음 빔 조합 소자로 다시보내지고; 광학 장치의 이득 소자의 출력은 이제 시준되고 반응성 다층 포일을 포함하는 다음 빔 조합 소자와 정렬되어, 개별 LCOS 어셈블리를 서브모듈안에 본딩하고 서브모듈을 모듈안에 본딩하기 위해 포일은 열-펄스 이후에 자체-지속 발열 반응을 겪고; 포일은, 섬유 기반 라만 레이저를 펌핑하기 위해 충분히 좁은 선폭(융합 실리카에 대해 <10nm, 인산 도핑된 유리 등에 대해 <3nm)을 제공하기 위해 구성되는, NANOFOIL(Indium Corporation에 의해 제공되는)이며, 모든 광학 부품은 스펙트럼의 청색 영역안의 낮은 흡수를 위해 선택되어야 하고 섬유 커플러의 제조는 청색 광 투과에 대해 최적화되어야 하며, 하나 이상의 광학 부품은 스펙트럼의 청색 영역안의 낮은 흡수를 위해 선택되고 섬유 커플러의 제조는 청색 광 투과에 대해 최적화되어야 하는 것을 특징으로 한다.
이 레이저 시스템, 모듈, 서브모듈의 실시예는 레이저 동작을 수행한다. 이레이저 시스템, 모듈, 서브모듈의 실시예는 레이저 동작을 수행하는데, 레이저 동작은 3-D 인쇄, 적층 가공, 절삭/적층 가공, 용접, 표면 처리, 및 절단을 포함하는 동작의 그룹으로부터 선택된다.
이하의 예는 본 발명의 레이저 시스템 및 본 발명의 부품의 다양한 실시예를 예시하기 위해 제공된다. 이 예들은 예시를 위한 것으로, 예언적일 수 있으며, 제한적인 것으로 간주되어서는 안되며, 본 발명의 범주를 제한하지 않아야 한다.
예 1
어셈블리(예를 들어, 서브모듈)의 일 실시예는 6개의 렌즈형 칩 온 서브마운트(LCOS)의 구성이고 도2에 개략적으로 도시되어 있다.
서브모듈(100)에서, 각각의 LCOS는 각각 레이저 빔 경로(예를 들어 181a)를경유하는 레이저 빔(예를 들어, 180a)을 발생시키는 이득 소자(101a, 101b, 101c, 101d, 101e 및 101f)를 갖는다(레이저 빔은 켜져 있거나, 레이저 빔 경로와 일치하며, 따라서 단일 화살표로 도시됨). 단일 소자에 이득 소자(101a 내지 101f)를 고정시키는 능력은 바람직하게는 각각의 GaN 이득 소자(101a 내지 101f)상에 있는 낮은 반사율(LR) 패싯 코팅에 의해 향상된다. 각각의 이득 소자((101a 내지 101f)는 고속 축 시준 렌즈(예를 들어, 103a) 및 저속 축 시준 렌즈(예를 들어, 104a)를 갖는다. 각각의 이득 소자((101a 내지 101f)는 회전 거울(예를 들어, 105a)을 갖는다. 이 방식으로, 레이저 빔 및 레이저 빔 경로는 이득 소자(예를 들어, 101a)로부터 고속 축 시준기(FAC, 예를 들어, 103a)를 통해, 저속 축 시준기(SAC, 예를 들어, 104a)로, 그 다음에는 회전 거울(예를 들어, 105a)까지 연장된다. 제1 회전 거울(105a)는 레이저 빔 경로 및 레이저 빔을 제2 회전 거울(105b)로, 그 다음에는 후속 회전 거울로 돌린다. 다시보내진 레이저 빔(180a') 및 레이저 빔 경로(181a')는 다른 이득 소자(101b, 101c, 101d, 101e, 101f)로부터의 레이저 빔 및 레이저 빔 경로와 후속 회전 거울(예를 들어, 105b)에 의해 조합된다. 다시보내지고 조합된 레이저 빔 및 레이저 빔 경로는 VBG(106)를 통해 빠져나간다.
VBG(106)는 서브모듈(100)의 출구에 있으며, 서브모듈(100)상의 이득 소자 모두를 단일 파장에 고정하기 위한 것이다. VBG는 FAC 또는 SAC에 통합될 수도 있다. 유사하게, 고정 소자, 회절 격자는 이 도면에 도시된 회전 거울일 수도 있으며, VBG에 대한 필요성 없앤다.
LCOS는 히트싱크로도 작용할 수 있는 베이스, 예를 들어 서브마운트(도1에 도시되지 않음)상에 조립될 수 있다.
2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 수십, 및 수백개의 이득 소자는 단일 서브모듈 또는 어셈블리에 사용될 수 있음을 이해해야한다. 도2 실시예에 도시된 바와 같이 빔 경로를 따라 광학 부품이 바람직하더라도, 실시예에서, 이득 소자로부터의 일부 레이저 빔 경로는 도2의 실시예에 도시된 바와 같이 빔 경로를 따라 모든 광학 부품을 갖지 않을 수도 있다는 것도 이해해야 한다.
도2의 실시예는 예를 들어, 도1 및 1a에 도시된 바와 같이 단일 GaN 이득 소자를 특정 파장에 고정함으로써 달성된 레이저 빔을 제공할 수 있으며, 외부 공동 레이저는 0.045nm의 선폭으로 작동한다. 이 선폭은 이 명세서에 설명된 조밀한 파장 빔 조합 방법에 대한 요구사항의 실시예보다 훨씬 아래에 있다.
예 1A
도2의 서브모듈의 일 실시예는 백 바이어스(back bias) 보호를 위해, 하나 이상 및 모든 빔 경로를 따라 설치될, 제너 다이오드를 포함한다.
예 1B
도2의 서브모듈의 일 실시예에서, 저속 축 시준(SAC) 렌즈(104)는 회전 거울(105)로부터 분리되어 있다. 일 실시예에서, 축-외 파라볼라 접근법을 사용하여 두 개가 조합될 수도 있으며, SAC 렌즈는 서브모듈에 대한 설계 목표에 따라 회전 거울 다음에 장착될 수도 있다.
예 2
도3을 참조하면, 이득 소자가 개별 다이크로익 거울 및 공통 출력 커플러의 조합에 의해 고정되도록 하는 어셈블리의 실시예의 개략도가 도시되어 있다. 이 실시예에서, 어셈블리, 예를 들어 서브모듈은 서브모듈안에 통합되고 베이스(3300, 예를 들어, 베이스판, 히트싱크, 장착 블록))상에 장착된 여섯개의 LCOS(3000a, 3000b, 3000c, 3000d, 3000e, 3000f)를 포함한다. 6개의 LCOS 각각은 낮은 반사율(LR) 패싯 코팅(예를 들어, 3102), FAC(예를 들어, 3103), SAC(예를 들어, 3104), 및 회전 및 빔 조합 소자(예를 들어, 3105)를 갖는 이득 소자(예를 들어, 3101)를 갖는다.
예 3
도4를 참조하면, 베이스(200) 상의 레이저 모듈(290)의 개략도가 도시되어 있다. 레이저 모듈(290)은 LOCS 서브 모듈의 2개의 행(291, 292)을 갖는다. 이 실시예에서, 각각의 행(291, 292)은 6개의 LCOS 서브모듈을 갖는다. 이 실시예에서, 12개의 LCOS 서브모듈 모두는 도2의 실시예의 서브모듈(100)이다. 더 많거나 적은 행, 더 많거나 적은 서브모듈, 및 동일하거나 상이한 유형의 서브모듈이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
서브모듈은 일련의 조합 광학 소자, 예를 들어, 다이크로익 필터, VBG 또는 회절 격자와 광학적으로 조합된다. 따라서, 이 실시예에서, 행 292의 각각의 서브모듈(예를 들어, 100)은 그들의 레이저 빔 경로 및 레이저를, 조합된 레이저 빔(185a)을 레이저 빔 경로(186a)를 따라 형성하는 다이크로익 필터(201a, 202a, 203a, 204a, 205a, 206a)안으로 보낸다. 행(291)의 각각의 서브모듈은 그들의 레이저 빔 경로 및 레이저를, 조합된 레이저 빔(185)을 레이저 빔 경로(186a)를 따라 형성하는 다이크로익 필터(201, 202, 203, 204, 205, 206) 안으로 보낸다.(도면에서 레이저 빔은 레이저 빔 경로를 따라 이동할 때, 레이저 빔과 그 경로에 대해 오단일 선만 도시된다는 점에 유의한다).
다이크로익 필터 각각에 대한 통과 대역 기능은 도7 및 7a에 도시되어 있다(유사한 숫자는 유사한 수의 필터에 대응한다). 따라서, 필터(202, 202a)는 440.5nm에서 하부 컷오프(cutoff)를 갖고 447.25nm에서 상부 컷오프를 갖는, 공칭 446nm 파장 빔에 대한 것이다. 필터(203, 203a)는 441.5nm에서 하부 컷오프를 갖고 448.25nm에서 상부 컷오프를 갖는, 공칭 447nm 파장 빔에 대한 것이다. 필터(204, 204a)는 442.5nm에서 하부 컷오프를 갖고 449.25nm에서 상부 컷오프를 갖는, 공칭 448nm 파장 빔에 대한 것이다. 필터(205, 205a)는 443.5nm에서 하부 컷오프를 갖고 450.25nm에서 상부 컷오프를 갖는, 공칭 449nm 파장 빔에 대한 것이다. 필터(206, 206a)는 444.5nm에서 하부 컷오프를 갖고 451.25nm에서 상부 컷오프를 갖는, 공칭 450nm 파장 빔에 대한 것이다.(하부 및 상부 컷오프는 투과율이 0으로부터 또는 0으로 변하는 스펙트럼의 지점을 말한다).
따라서, 각각의 통과대역은 중첩되어 투과 창이 각각의 대역통과 필터의 적색 가장자리(edge)에 생성된다. 다이크로익 필터(206, 206a 내지 201, 201a)의 순서를 반대로 함으로써, 통과대역은 각각의 대역통과 필터의 청색 가장자리로 이동할 수 있다. 대역통과 기능은 박막 코팅 모델을 사용하여 계산되고 가장자리 경사도(edge steepness) 및 투과도에 대해 최적화되었다. 투과 창은 약 0.75nm 만큼 엇갈리게 배치되거나, 더 많이 엇갈린 배치(예를 들어, 0.8 nm - 3 nm, 0.8 nm - 1.8 nm, 약 0.8 nm, 약 1.0 nm, 약 1.5 nm)도 사용될 수 있다. 도7에 도시된 실시예에서, 투과 창은 1nm만큼 엇갈려 배치된다. 이 실시예에 사용되는 필터는 대역 통과, 저역 통과 또는 고역 통과일 수 있으며, 일부 대역 통과 필터는 더 가파른 가장자리 전환(transition)을 제공할 수 있으며 따라서 현재 시중에 있는 다른 레이저보다 더 좁은 파장 조합을 제공할 수 있다. 서브모듈이 모두 동일 선상에 정렬된 후, 행(292) 및 행(291)로부터의 출력은 서로 편광으로 중첩된다. 따라서, 행(292)으로부터의 출력 레이저 빔(185a) 및 행(291)으로부터의 출력 레이저 빔(185)은 중첩 편광 관계로 조합된다. 이 관계는 빔(185) 및 빔 경로(186)를 수신하고 빔(185) 및 빔 경로(186)를 편광 회전 소자(209)를 향해 보내는 회전 거울(207); 빔(185) 및 빔 경로(186)를 수신하고, 이들을 빔(185) 및 빔 경로(186)와 조합하여 빔 경로(188)를 따라 추가로 조합된 레이저 빔(187)을 제공하는 편광 빔 스플리터(208)에 의해 달성된다. 조합된 빔(187)은 광학 소자(210), 예를 들어, 렌즈에 의해 광학 섬유(211) 안으로 발사된다. 이 렌즈는 조합된 빔의 대역폭(~10nm) 이상의 단일 지점에 모든 서브모듈을 집중시키도록 설계된다. 이 유형의 렌즈는 광학 부품의 속도에 따라 예를 들어, 비구면, 단순 이중선 또는 쿠크 삼중(Cooke Triplet)일 수 있다. 이 소자(예를 들어 209, 208, 210, 211)를 통해 전달되는 높은 레이저 전력으로 인해, 출력 빔의 가열 및 왜곡을 최소화하기 위해, 이 소자들은 광학적으로 접촉되거나 공기-이격되거나, 둘 다일 수 있다.
예 4
도10을 참조하면, 도2에 도시된 유형의 LCOS 서브모듈(100)(동일한 번호는 동일한 의미를 가짐)은 역시 히트싱크로서 작용하는 계단형 서브-마운트(107)상에 조립된다(빔 경로 및 레이저 빔이 도10에 도시되어 있지만, 간략화를 위해 표시되지 않았으며, 도2의 빔 경로와 동일하다). 서브모듈(100)은 6개의 LCOS 어셈블리 또는 소자를 갖는다. 각각의 LCOS는 이득 소자(예를 들어, 101a), FAC(예를 들어, 103a), SAC(예를 들어, 104a) 및 회전 거울(예를 들어, 105a)을 갖는다. 제1 회전 거율(105a)는 레이저 빔 경로 및 레이저 빔을 제2 회전 거울(105b)로 회전시킨 다음 후속 회전 거울로 회전시킨다(예를 들어, 다시보낸다). 다시보내진 레이저 빔 및 레이저 빔 경로는 후속 회전 거울(예를 들어, 105b)에 의해 다른 이득 소자로부터의 레이저 빔 및 레이저 빔 경로와 조합된다. 다시보내지고 조합된 레이저 빔 및 레이저 빔 경로는 VBG(106)를 통해 빠져나간다.
여섯개의 LCOS 소자는 베이스(107) 상에 장착되며, 베이스는 예를 들어 도금된(plated) Cu 히트싱크와 같은 히트싱크일 수 있다. 광학 빔은 저속 축 시준(SAC) 렌즈를 사용하여 저속 축으로 시준된다. 빔은 회전 거울에 의해 반사되며 볼륨 브래그 격자(VBG) 상으로 보내진다. VBG는 반도체 이득 소자와 VBG 사이에 형성된 외부 공동의 아웃커플링 거울이다. 다이오드의 수는 모듈의 개구수(numerical aperture) 및 스폿(spot) 크기, 또는 모듈 휘도를 결정하며, 이 예는 약 5mm-mrad 빔 파라미터 곱을 제공하기 위해 최적화된다.
예 5
일 실시예에서, 도4의 SBC 모듈은 베이스(200)의 양측에 장착된 "N" 서브 모듈 또는 등가물을 포함한다. 이 패키지의 베이스는 Cu 또는 등가물과 같은 열 전도성 물질로 제조되며 매크로 채널 또는 마이크로 채널 유형의 유체 냉각식 히트싱크상에 장착된다.
예 6
도8을 참조하면, 각각 13개씩, 두 개의 행(602, 603)안에서, 베이스(601)에 장착된, 도10에 도시된 유형의, 26개의 서브모듈을 포함하는 스펫트럼 빔 조합(Spectral Beam Combining, SBC) 모듈(600)의 실시예의 사시도가 도시되어 있다. 각각의 행의 각각의 모듈은 일련의 다이크로익 거울(예를 들어, 604, 605, 606)을 갖는다. 이 거울들은 예를 들어, 일반적으로 도7 및 7a의 선을 따라, 파장 분포를 갖는 각각의 서브모듈의 전방에 설치된다. 따라서, 각각의 서브모듈과 연관된 26개의 다이크로익 거울이 존재한다. 이 다이크로익 거울은 서브모듈로부터 좁은 스펙트럼 방출(전형적으로 0.75nm 폭)을 반사하고 다른 파장의 투과를 허용한다. 이 파장은 10nm 폭 순서의 모든 방출 파장의 합으로 다중화된다. 회전 거울(607)은 13개의 서브모듈 행(692)으로부터 편광 빔 조합 광학 소자(609)를 향해 다중화된 빔을 반사시킨다.
두 개의 행으로부터의 레이저 빔은 편광 회전 반파 판 및 편광 빔 조합 빔-스플리터로 구성되는 편광 빔 조합 광학계(609)를 사용하여 조합된다. 광대역 반파장 판 및 편광 빔 조합 큐브는 광학적으로 접촉되어 소형 빔 조합기 어셈블리를 만든다. 조합된 빔은 섬유 결합 광학계(620)에 의해 성형되고 최종적으로 광학 섬유(621) 안에 결합된다.
예 7
도5을 참조하면, 도4에 도시된 유형의 7개의 SBS 모듈을 갖는 완전한 kW 급 레이저 시스템(500)의 실시예의 개략도가 도시되어 있다. 각각의 SBS 모듈(예를 들어, 501)은 도4에 도시되고 섬유 결합된 유형이다. 이 방식으로, 섬유 조합기(301)는 단일 전달 섬유(303) 안에 7개의 섬유(예를 들어, 302)를 조합하는데 사용된다. 여기서, SBC 모듈 섬유(302)는 50㎛의 직경을 갖지만, 전달 섬유(303)는 예를 들어 약 15050㎛의 직경을 갖는다. 전달 섬유에 대한 더 크고 더 작은 직경은 모듈 섬유의 수 및 크기, 및 각각의 서브모듈의 이득 소자의 수와 같은 요인에 따라 예를 들어 약 400㎛쯤으로부터 더 크게 고려된다.
일 실시예에서, 이 레이저 시스템은 섬유 조합기를 통해 광학적으로 조합되며, 이 조합기는, 예를 들어 광학 섬유에 대해 조밀 육방 패킹(close hexagonal packing) 원리를 기반으로 한다.
도5a는 섬유 조합기(301a)의 상세한 개략도와 함께, 도5의 구조의 개략적인블록 단면도이다(동일한 숫자는 동일한 부품에 대응함).
예 8
도6을 참고하면, 도6에는 VBG를 사용하지 않고 조밀한 파장 빔 조합 시스템을 구축하는 방법의 실시예의 개략도가 도시되어 있다. 도6을 참고하면, 베이스(590) 상의 레이저 모듈의 개략도가 도시되어 있다. 레이저 모듈(500)은 2개 행의 LCOS 서브모듈을 갖는다. 이 실시예에서, 각각의 행은 6개의 LCOS 서브모듈을 갖는다. 이 실시예에서, 모든 12개의 LCOS 서브모듈은 도3에 도시된 실시예의 서브모듈이다. 더 많거나 적은 행, 더 많거나 적은 서브모듈, 및 동일하거나 상이한 유형의 서브모듈이 사용될 수도 있다는 것을 이해해야한다.
여기에서, 개별 서브모듈은 모두 동일선상으로 정렬되고 공통 출력 커플러(501)는 다이크로익 필터(501-506) 쌍을 통해 각각의 서브모듈에 피드백 신호를 제공한다. 이 빔들은 레이저 빔 및 빔 경로를 수신하고 빔 및 빔 경로를 편광 회전 소자(509)를 향해 보내는 회전 거울(507); 및 레이저 빔 및 빔 경로를 수신하고 회전 거울(507)로부터의 다른 빔 및 경로와 조합하는 편광 빔 스플리터(5)에 의해 조합된다. 조합된 빔은 광학 소자(510, 예를 들어, 렌즈)에 의해 광학 섬유(511)안으로 발사된다. 이 렌즈는 모든 서브모듈을 조합된 빔의 대역폭(~10nm)에 걸친 단일 지점에 집중시키도록 설계된다. 렌즈의 유형은 예를 들어, 광학 부품의 속도에 따라 비구면, 단순 이중선 또는 쿠크 삼중(Cooke Triplet)일 수 있다. 이 소자들을 통해 전달되는 높은 레이저 전력으로 인해, 이 소자들은 광학적으로 접촉되거나 공기-이격되거나, 둘 다일 수 있다.
도9는 왕복을 위한 어느 투과 기능이 도6의 구성의 각각의 개별 소스에 대한 것인지를 도시하고 있으며, 따라서 레이저 공동의 규정에 의해 모든 빔이 동일선상의 최대 전력을 갖는 복합 빔을 야기하는 각각의 소스에 대한 발진 대역폭을 구축한다. 이 빔들은 편광 빔 회전자를 사용하고 이어서 편광 빔 조합 큐브 또는 펠리클(pellicle)에 의해 이전 예와 동일한 방식으로 조합될 수 있다.
예 9
도11에 도시된 LCOS는 저 반사율 코팅(1102)을 구비한 이득 소자(1101), 백 바이어스 보호용 제너 다이오드(1110), 고속 축 시준 렌즈(1103) 및 서브마운트(1111)을 포함한다.
본 발명의 실시예와 연관되거나 본 발명의 주제인 신규하고 혁신적인 프로세서, 재료, 성능, 또는 다른 유리한 특징 및 속성을 기초로 하는 이론을 제공하거나 다룰 필요는 없음에 유의한다. 그럼에도 불구하고, 다양한 이론들이 이 영역의 기술을 발전시키기 위해 이 명세서에 제공된다. 이 명세서에 제시된 이론은, 달리 명시적으로 언급하지 않는한, 청구된 발명에 제공되는 보호 범주를 제한하거나 좁히지 않는다. 이 이론들은 본 발명을 활용하여 요구되거나 실행되지 않을 수도 있다. 본 발명은 본 발명의 방법, 물품, 재료, 디바이스 및 시스템의 실시예의 기능-특징을 설명하기 위해 새롭고, 지금까지 알려지지 않는 이론으로 이어질 수 있으며, 나중에 개발된 이론들은 본 발명에 제공된 보호 범주를 제한하지 않아야 한다.
이 명세서에 제시된 시스템, 장비, 기술, 방법, 행위 및 동작의 다양한 실시예는 여기에 제시된 것에 더하여 다양한 다른 행위 및 다른 분야에 대해 사용될 수도 있다. 또한 이 실시예들은, 예를 들어, 미래에 개발될 수도 있는 다른 장비 또는 행위; 및 이 명세서의 교시를 기반으로 부분적으로 수정될 수도 있는 기존의 장비 또는 행위와 함께 사용될 수 있다. 또한, 이 명세서에 제시된 다양한 실시예는 서로 상이하고 다양한 조합으로 사용될 수도 있다. 따라서, 예를 들어, 이 명세서의 다양한 실시예에 제공된 구성은 서로 사용될 수 있으며, 본 발명에 제공된 보호 범주는 특정 실시예, 특정 실시예에 제시되는 구성 또는 배치, 예, 또는 특정 도면의 실시예에 제한되지 않아야 한다.
본 발명은 그 사상 또는 본질적인 특성을 벗어나지 않으면서 여기에 구체적으로 개시된 것과 다른 형태로 구현될 수 있다. 개시된 실시예들은 모든 면에서 단지 예시적이고, 제한적이지 않은 것으로 간주된다.

Claims (57)

  1. 스펙트럼의 청색 파장(400-495nm)에서 방출되는 다중 -kW 레이저 방사선을 생성하도록 구성된 광학 장치로서,
    a. 각각의 모듈이 N개의 서브모듈로 구성되고, M>1 이고 N<1인, M개의 섬유-결합 모듈;
    ⅰ. 서브모듈은 GaN 재료 시스템으로부터의 P개의 렌즈형 청색 반도체 이득 칩으로 구성되며, 고정을 위해 최적화된 낮은 반사율을 구비한 전방 패싯상에 코팅을 구비하고; 및
    ⅱ. 바깥쪽을 향하는 낮은 반사율 패싯을 구비하고 이득 칩의 전방에 부착된 고속 축-시준 렌즈를 구비한 열 전도성 서브-마운트상에 장착되고; 및
    ⅲ. 렌즈형 청색 반도체 이득 칩은 사전결정된 파장에 이득 소자의 파장을 최적으로 고정하기 위해 외부 공동안의 계단 히트싱크 상에 장착되고;
    ⅳ. 각각의 이득 디바이스의 편광은 외부 공동 디자인안에 유지됨;
    b. 다수의 서브 모듈을 포함하는, 섬유-결합된 모듈;
    ⅰ. 서브모듈의 두 세트 이상은 <10nm의 대역폭으로 다중화하는 파장을 통해 조합되고;
    ⅱ.반면에, 두 세트의 파장 다중화된 서브모듈은 편광 빔 조합을 통해 조합되고; 및
    ⅲ. 상기 모듈은 밀폐된 인클로저 안에 들어 있으며 히트싱크 상에 장착됨; 및
    c. 묶여져 단일 출력 섬유로 조합되어, kW-레벨 청색 레이저 시스템을 생성하는 다수의 모듈의 섬유를 포함하는
    광학 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    광학 장치의 이득 소자의 출력은 시준되고 다음 빔 조합 소자에 회전 거울에 의해 다시보내지는
    광학 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    광학 장치의 이득 소자의 출력은 시준되고 다음 빔 조합 소자와 정렬되는
    광학 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    바깥쪽을 향하는 낮은 패싯 반사율을 구비한 GaN 이득 소자, 및 고속 축 시준 렌즈와 통합된 볼륨 브래그 격자를 갖는
    광학 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    바깥쪽을 향하는 낮은 패싯 반사율을 구비한 GaN 이득 소자, 및 고속 축 시준 렌즈 이후의 볼륨 브래그 격자를 갖는
    광학 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    바깥쪽을 향하는 낮은 패싯 반사율을 구비한 GaN 이득 소자, 및 저속 축 시준 렌즈 이후의 볼륨 브래그 격자를 갖는
    광학 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    바깥쪽을 향하는 낮은 패싯 반사율을 구비한 GaN 이득 소자, 및 저속 축 시준 렌즈 이후에 출력을 다이크로익 필터로 다시보내는, 리트로우 구조에서 동작하는 반사성 회절 격자를 갖는
    광학 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    바깥쪽을 향하는 낮은 패싯 반사율을 구비한 GaN 이득 소자, 및 이득 소자에 피드백을 제공하고 출력을 다이크로익 필터로 다시보내기 위해 거울과 결합하여 동작하는 투과성 회절 격자를 갖는
    광학 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    바깥쪽을 향하는 낮은 패싯 반사율을 구비한 GaN 이득 소자, 및 피드백 및 GaN 이득 소자의 파장을 결정하기 위해 섬유에 내장된 섬유 브래그 격자를 갖는 광학 섬유 안에 결합된 출력을 구비한 시준 광학 시스템을 갖는
    광학 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    장치는 고속 축에서 <3.5mm*mrad의 빔 파라미터 곱을 갖는 레이저 빔을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    장치는 저속 축에서 <5mm*mrad의 빔 파라미터 곱을 갖는 레이저 빔을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    장치는 전체적으로 >3.5mm-mrad 이지만 <5nm-mrad인 빔 파라미터 곱을 갖는 레이저 빔을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    장치는 전체적으로 >5mm-mrad 이지만 <10nm-mrad인 빔 파라미터 곱을 갖는 레이저 빔을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    장치는 스펙트럼의 400-495nm 영역의 <10nm의 스펙트럼 방출을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 장치는 > 1 nm 이지만 < 5 nm, > 1 nm 이지만 < 10 nm, > 1 nm 이지만 < 15 nm, 및 >1 nm 이지만 < 20 nm의 스펙트럼 방출을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    이득 칩 전방 패싯 반사율은 <10%인 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    이득 칩 전방 패싯 반사율은 >10% 이지만 < 15%, >15% 이지만 <20%, 및 >20% 이지만 < 30%를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    각각의 서브모듈의 서브-마운트상에 P 렌즈형 청색 반도체 이득 칩이 존재하고, P>1인 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  19. 제1항에 있어서,
    렌즈형 청색 GaN-기반 반도체 이득 칩은 직렬, 또는 직렬/병렬 전기 조합으로 전기적으로 연결되고 서브모듈 전극에 와이어-본딩되는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  20. 제1항에 있어서,
    섬유는 스펙트럼의 청색 영역안의 낮은 흡수를 위해 선택되어야 하고 섬유 커플러의 제조는 청색 광 투과에 대해 최적화되어야 하는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  21. 제1항에 있어서,
    각각의 서브모듈은 외부 공동 구조안의 파장 고정에 이어 <1nm 스펙트럼 분포를 갖는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  22. 제1항에 있어서,
    모듈 내부에 두 세트의 12개 서브모듈이 존재하는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  23. 제1항에 있어서,
    M 개의 모듈(M>1)은 선택된 출력 섬유 또는 출력 빔에 대해 최적화된 임의의 기하학적 패키징 배열의, K개의 (K>M) 입력 섬유를 구비한 섬유 커플러를 사용하여 조합되는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  24. 제1항에 있어서,
    kW 레이저 시스템은 냉각 매니폴드를 포함하는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  25. 제1항에 있어서,
    kW 레이저 시스템은 전자/전력 공급장치를 포함하는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  26. 제1항에 있어서,
    kW 레이저 시스템은 안전 인터록(safety interlock)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  27. 제1항에 있어서,
    kW 레이저 시스템은 광학-전력-모니터링 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  28. 제1항에 있어서,
    kW 레이저 시스템은 온도-모니터링 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  29. 스펙트럼의 청색 파장(400-495nm)에서 방출되는 다중-kW의 레이저 방사선을 생성하도록 구성되는 광학 장치로서,
    a) 각각의 모듈이 N 서브모듈로 구성되고, M≥1 이고 N<1인, M개의 섬유-결합 모듈;
    ⅰ. 서브모듈은 GaN 재료 시스템으로부터의 P개의 렌즈형 청색 반도체 이득 칩으로 구성되며, 고정을 위해 최적화된 낮은 반사율을 구비한 전방 패싯상에 코팅을 구비하고; 및
    ⅱ. 바깥쪽을 향하는 낮은 반사율 패싯을 구비하고 이득 칩의 전방에 부착된 고속 축-시준 렌즈를 구비한 열 전도성 서브-마운트상에 장착되고; 및
    ⅲ. 렌즈형 청색 반도체 이득 칩은 고속 축 빔조각을 최적으로 정렬하기 위해 외부 공동안의 계단 히트싱크 상에 장착되고;
    ⅳ. 각각의 이득 칩은 저속 축 시준 렌즈에 의해 시준되는 그 자신의 저속 축을 갖고 회전 거울에 의해 출력 커플러에 다시보내지는 방사선을 가짐; 및
    ⅴ.각각의 LCOS는 이제 다이크로익 필터를 통해 정렬되고 출력 커플러는 각각의 이득 소자에 피드백을 제공하고, 다이크로익 필터는 이제 각각의 LCOS 어셈블리의 작동 파장을 결정함;
    b) 다수의 서브 모듈을 포함하는 섬유-결합된 모듈;
    ⅰ. 두 세트의 서브모듈은 <10nm의 대역폭으로 다중화하는 파장을 통해 조합되고;
    ⅱ.반면에, 두 세트의 파장 다중화된 서브모듈은 편광 빔 조합을 통해 조합되고; 및
    ⅲ. 상기 모듈은 밀폐된 인클로저 안에 들어 있으며 능동적으로 냉각되는 히트싱크 상에 장착됨; 및
    c) 묶여져 단일 출력 섬유로 조합되어, kW-레벨 청색 레이저 시스템을 생성하는 다수의 모듈의 섬유를 포함하는
    광학 장치.
  30. 제29항에 있어서,
    고속 축에서 <3.5mm*mrad의 빔 파라미터 곱을 갖는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  31. 제29항에 있어서,
    저속 축에서 <5mm*mrad의 빔 파라미터 곱을 갖는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  32. 제29항에 있어서,
    전체적으로 >3.5mm-mrad 이지만 <5nm-mrad인 빔 파라미터 곱을 갖는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  33. 제29항에 있어서,
    전체적으로 >5mm-mrad 이지만 <10nm-mrad인 빔 파라미터 곱을 갖는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  34. 제29항에 있어서,
    스펙트럼의 400-495nm 영역의 <10nm의 스펙트럼 방출을 갖는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  35. 제29항에 있어서,
    > 1 nm 이지만 < 5 nm, > 1 nm 이지만 < 10 nm, > 1 nm 이지만 < 15 nm, 및 >1 nm 이지만 < 20 nm의 스펙트럼 방출을 갖는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  36. 제29항에 있어서,
    이득 칩 전방 패싯 반사율은 <10%인 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  37. 제29항에 있어서,
    이득 칩 전방 패싯 반사율은 >10% 이지만 < 15%, >15% 이지만 <20%, 및 >20% 이지만 < 30%인 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  38. 제29항에 있어서,
    각각의 서브모듈의 서브-마운트상에 P 렌즈형 청색 반도체 이득 칩이 존재고, P>1인 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  39. 제29항에 있어서,
    렌즈형 청색 GaN-기반 반도체 이득 칩은 직렬, 또는 직렬/병렬 전기 조합으로 전기적으로 연결되고 서브모듈 전극에 와이어-본딩되는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  40. 제29항에 있어서,
    섬유는 스펙트럼의 청색 영역안의 낮은 흡수를 위해 선택되어야 하고 섬유 커플러의 제조는 청색 광 투과에 대해 최적화되어야 하는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  41. 제29항에 있어서,
    각각의 서브모듈은 외부 공동 구조안의 파장 고정에 이어 <1nm 스펙트럼 분포를 갖는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  42. 제29항에 있어서,
    모듈 내부에 두 세트의 12개 서브모듈이 존재하는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  43. 제29항에 있어서,
    M 개의 모듈(M>1)은 선택된 출력 섬유 또는 출력 빔에 대해 최적화된 임의의 기하학적 패키징 배열의, K개의(K≥M) 입력 섬유를 구비한 섬유 커플러를 사용하여 조합되는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  44. 제29항에 있어서,
    kW 레이저 시스템은 냉각 매니폴드를 포함하는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  45. 제29항에 있어서,
    kW 레이저 시스템은 전자/전력 공급장치를 포함하는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  46. 제29항에 있어서,
    kW 레이저 시스템은 안전 인터록(safety interlock)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  47. 제29항에 있어서,
    kW 레이저 시스템은 광학-전력-모니터링 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  48. 제29항에 있어서,
    kW 레이저 시스템은 온도-모니터링 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  49. 스펙트럼의 청색 파장(400-495nm)에서 방출되는 다중-kW의 레이저 방사선을 생성하도록 구성되는 광학 장치로서,
    a) 각각의 모듈이 N개의 서브모듈로 구성되고, M≥1 이고 N>1인, M개의 섬유-결합 모듈;
    ⅰ. 서브모듈은 GaN 재료 시스템으로부터의 P개의 렌즈형 청색 반도체 이득 칩으로 구성되며, 그 작동파장을 선택하기 위해 GaN 칩 안에 통합된 분포 브래그 또는 피드백 격자를 구비하고; 및
    ⅱ. 바깥쪽을 향하는 낮은 반사율 패싯을 구비하고 레이저의 전방에 부착된 고속 축-시준 렌즈를 구비한 열 전도성 서브-마운트상에 장착되고; 및
    ⅲ. 고속 축 시준 렌즈 이후에 저속 축 시준 렌즈를 구비한 열 전도성 히트싱크 상에 장착되고; 및
    ⅳ. 렌즈형 청색 반도체 레이저는 계단 히트싱크 상에 장착되고;
    ⅴ. 각각의 레이저 디바이스의 편광은 레이저 디바이스의 도파관 구조에 의해 수립됨;
    b) 다수의 서브 모듈을 포함하는 섬유-결합된 모듈;
    ⅰ. 두 세트 이상의 서브모듈은 <10nm의 대역폭으로 다중화하는 파장을 통해 조합되고;
    ⅱ.반면에, 두 세트의 파장 다중화된 서브모듈은 편광 빔 조합을 통해 조합되고; 및
    ⅲ. 상기 모듈은 밀폐된 인클로저 안에 들어 있으며 히트싱크 상에 장착됨; 및
    c) 묶여져 단일 출력 섬유로 조합되어, kW-레벨 청색 레이저 시스템을 생성하는 다수의 모듈의 섬유를 포함하는
    광학 장치.
  50. 제49항에 있어서,
    광학 장치의 이득 소자의 출력은 시준되고 회전 거울에 의해 다음 빔 조합 소자로 다시보내지는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  51. 제49항에 있어서,
    광학 장치의 이득 소자의 출력은 이제 시준되고 다음 빔 조합 소자와 정렬되는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  52. 제1항, 제29항 또는 제49항에 있어서,
    반응성 다층 포일을 포함하고, 포일은 열-펄스 이후에 자체-지속 발열 반응을 겪어, 개별 LCOS 어셈블리를 서브모듈안에, 그리고 서브모듈을 모듈 안에 본딩하는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  53. 제1항, 제29항 또는 제49항에 있어서,
    섬유 기반 라만 레이저를 펌핑하기 위해 충분히 좁은 선폭(융합 실리카에 대해 <10nm, 인산 도핑된 유리 등에 대해 <3nm)을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  54. 제1항, 제29항 또는 제49항에 있어서,
    모든 광학 부품은 스펙트럼의 청색 영역안의 낮은 흡수를 위해 선택되어야 하고 섬유 커플러의 제조는 청색 광 투과에 대해 최적화되어야 하는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  55. 제1항, 제2항, 제3항, 제5항, 제7항, 제29항, 제32항, 제36항, 제49항, 제51항 또는 제52항에 있어서,
    하나 이상의 광학 부품은 스펙트럼의 청색 영역안의 낮은 흡수를 위해 선택되고 섬유 커플러의 제조는 청색 광 투과에 대해 최적화되어야 하는 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  56. 레이저 동작에 대해 제1항, 제29항, 또는 제49항의 장치를 사용하는 방법.
  57. 레이저 동작은 3-D 인쇄, 적층 가공, 절삭/적층 가공, 용접, 표면 처리, 및 절단을 포함하는 동작의 그룹으로부터 선택되는 제1항, 제29항, 또는 제49항의 장치를 사용하는 방법.
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