專利名稱：借助表面發(fā)射半導(dǎo)體裝置的數(shù)字熱注入的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體來(lái)說(shuō)涉及一種借助特殊類別的半導(dǎo)體激光器(在一種形式中，為表面發(fā)射裝置)的新穎并入而用數(shù)字方式將熱注入到寬廣范圍的產(chǎn)品中的新穎方法。本發(fā)明涉及一種實(shí)踐直接注入合意地匹配特定材料在指定波長(zhǎng)下的吸收規(guī)格的窄帶輻射能量的現(xiàn)有技術(shù)的更具體及有利的方式。
背景技術(shù)：
第7，425，296號(hào)美國(guó)專利(上文已識(shí)別)及相關(guān)專利族中全面地描述了用于實(shí)踐現(xiàn)有技術(shù)的一般技術(shù)。以上專利族大體教示一種稱為通過(guò)吸收光譜匹配進(jìn)行的窄帶數(shù)字熱注入或者簡(jiǎn)單地說(shuō)數(shù)字熱注入或DHI的技術(shù)。必須充分理解的重要DHI概念是使輻照波長(zhǎng)與目標(biāo)具有對(duì)于所期望應(yīng)用結(jié)果為最合意的吸收系數(shù)所處的特定波長(zhǎng)匹配的概念。由于每一類型的材料均具有其自身的由其分子構(gòu)成的原子吸收特性導(dǎo)致的獨(dú)特吸收光譜，因此有必要獲悉對(duì)于待借助DHL處理的任何給定目標(biāo)材料吸收光譜曲線看上去為何樣的。表示每一輻照波長(zhǎng)的完整吸收系數(shù)集合的點(diǎn)軌跡將構(gòu)成所述材料的完整吸收曲線。完整光譜吸收曲線經(jīng)常稱為光譜曲線或其它簡(jiǎn)稱。隨著實(shí)踐者簡(jiǎn)化DHI技術(shù)以針對(duì)給定應(yīng)用實(shí)際上進(jìn)行實(shí)踐，存在要考慮的寬廣范圍的事物，如上文所提及的'296專利族中更完整地描述。盡管術(shù)語(yǔ)窄帶恰當(dāng)?shù)剡m用于所有DHI應(yīng)用，但一些應(yīng)用比其它應(yīng)用更加關(guān)鍵。舉例來(lái)說(shuō)，在一些應(yīng)用中，二百或三百納米的帶寬可窄到足以匹配給定產(chǎn)品的吸收曲線的特定區(qū)。盡管每一種不同材料或化合物均具有其自身的特有吸收曲線形狀，因此其經(jīng)常在曲線的一部分中緩慢地改變形狀或在曲線的其它部分中急劇地改變形狀。由于每一不同類型的材料均具有其自身的特有曲線形狀，因此難以進(jìn)行概括，但盡管一些材料將具有平緩改變的吸收曲線，但許多其它材料的吸收曲線具有在UV與長(zhǎng)紅外線之間的某一地方具有快速或急劇改變的形狀的區(qū)。這些區(qū)將為吸收曲線中具有非常陡峭的斜率使得波長(zhǎng)的小改變等同于吸收系數(shù)的非常大的改變的區(qū)。舉例來(lái)說(shuō)，匹薩面團(tuán)、 水、香腸及奶酪在900納米到1500納米范圍中全部具有活躍且快速改變的曲線，其中存在小于50納米的波長(zhǎng)改變將得出3X到5X的吸收系數(shù)差的點(diǎn)。存在吹塑飲料與食品容器的其它材料，例如聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(或PET)材料，所述材料的吸收曲線具有極陡峭的若
4干部分。將此陡峭曲線上的確切點(diǎn)作為目標(biāo)以便利用對(duì)于以所期望方式加熱所述材料來(lái)說(shuō)為最優(yōu)的確切吸收系數(shù)需要可在為高度可重復(fù)的非常高的波長(zhǎng)精度水平上經(jīng)濟(jì)地制造的激光裝置。類似地，如果設(shè)法擊中吸收曲線(通常使用y軸上的吸收及χ軸上的波長(zhǎng)繪制而成)中的窄峰值或谷值，還需要波長(zhǎng)精度。在此情況下從所期望中心波長(zhǎng)的波長(zhǎng)變化的懲罰意味著，輻照將錯(cuò)過(guò)峰值且實(shí)際上用將在實(shí)質(zhì)上不同于計(jì)劃的吸收下的能量擊中目標(biāo)。結(jié)果將需要實(shí)現(xiàn)所期望加熱或能量沉積所需的能量量的大改變。數(shù)字熱注入的另一概念涉及在涉及多種不同材料類型時(shí)選擇用于所期望結(jié)果的波長(zhǎng)。舉例來(lái)說(shuō)，選擇具有至少一種波長(zhǎng)的材料，在多少波長(zhǎng)下，兩種材料均具有合意地不同的吸收。當(dāng)一種材料在在另一種材料為高吸收性所處的波長(zhǎng)下為高透射性時(shí)，可借助最小加熱射擊穿過(guò)第一透射材料的能量同時(shí)借助所期望水平的加熱實(shí)現(xiàn)第二材料的實(shí)質(zhì)吸收。此概念可針對(duì)兩種以上材料延伸，但波長(zhǎng)精度水平可甚至進(jìn)一步上升。還可使用添加劑，其誘發(fā)高吸收峰值以增強(qiáng)此概念的可用性，但其可進(jìn)一步需要高水平的波長(zhǎng)選擇及精度以實(shí)現(xiàn)所期望的系統(tǒng)結(jié)果。DHI技術(shù)后面的重要且通常非?；镜母拍钌婕斑x擇恰當(dāng)波長(zhǎng)以在目標(biāo)中具有恰好所期望的吸收量。如上文所指示的'296專利族中已教示，數(shù)字熱注入的實(shí)踐者將通常期望選擇兩種、三種或三種以上波長(zhǎng)，因?yàn)槠渲械拿恳徽呔哂性谄湎鄳?yīng)波長(zhǎng)下的合意吸收系數(shù)。通過(guò)借助所選的配量進(jìn)行輻照，此允許熟練的實(shí)踐者指定對(duì)于給定應(yīng)用來(lái)說(shuō)可為理想的穿透與吸收的確切組合。盡管DHI技術(shù)可以減小的波長(zhǎng)精度工作，但已發(fā)現(xiàn)可通過(guò)并入高得多的水平的波長(zhǎng)精度而在技術(shù)的實(shí)踐中做出實(shí)質(zhì)改進(jìn)。還已發(fā)現(xiàn)，可必需某些專門(mén)類型的半導(dǎo)體硬件以進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)施方案且用極窄帶能量擊中恰好所期望的波長(zhǎng)并經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)所述實(shí)施方案。由于激光器及用于許多DHI應(yīng)用的其它窄帶輻照源必須是為了實(shí)現(xiàn)廣泛商業(yè)化而經(jīng)濟(jì)地將其制造及實(shí)施成的類型及設(shè)計(jì)，因此仔細(xì)地選擇此類激光器、LED或其它窄帶發(fā)射裝置以及制造過(guò)程為重要的。雖然可使用幾乎任何類型的激光器或窄帶輻照器來(lái)實(shí)踐數(shù)字熱注入技術(shù)(在以應(yīng)用的正確輸出波長(zhǎng)制造所述激光器或窄帶輻照器的情況下)，但存在決定對(duì)用于所期望應(yīng)用的某些類型的輻照器的偏好的某些實(shí)際情況。一般來(lái)說(shuō)，也稱為二極管激光器的半導(dǎo)體激光器往往更實(shí)際，因?yàn)槠溆兄谳^低成本的高生產(chǎn)制造。所述半導(dǎo)體激光器還提供以寬得多的特定波長(zhǎng)范圍、更大緊湊度、耐久性、電效率、堅(jiān)固性及其它優(yōu)點(diǎn)來(lái)制造其的能力。然而，典型的二極管或半導(dǎo)體激光器也具有某些限制及制造挑戰(zhàn)。一個(gè)麻煩的問(wèn)題是在制造期間發(fā)生的正常過(guò)程變化，其可致使最終的激光裝置具有比所期望的范圍寬的輸出波長(zhǎng)范圍。單個(gè)制造‘晶片’或襯底圓盤(pán)上制作有成千上萬(wàn)個(gè)裝置。對(duì)于來(lái)自同一晶片的裝置的波長(zhǎng)，甚至針對(duì)良好控制的過(guò)程隨機(jī)地變化+/-10納米或+/-10納米以上也并非不尋常的。所述裝置可以正常的統(tǒng)計(jì)散布形式散布在構(gòu)件周?chē)?，或者其可沿任一方向從目?biāo)/所期望中心波長(zhǎng)嚴(yán)重偏斜。如果非常精確地?fù)糁刑囟ㄖ行牟ㄩL(zhǎng)(如+/-1或2納米)為合意的，那么僅有選擇為個(gè)別地對(duì)裝置進(jìn)行分類且僅挑選處于目標(biāo)所期望范圍中的裝置。 此可意味著將需要丟棄生產(chǎn)批量的或許80%或80%以上。當(dāng)然，有時(shí)其可用于需要鄰近波長(zhǎng)的另一應(yīng)用，但對(duì)于大多數(shù)情形此并非可靠的商業(yè)計(jì)劃。當(dāng)包含所有其它生產(chǎn)下降原因時(shí)，此分類程序可容易致使生產(chǎn)合格率低于20%。此為針對(duì)此類裝置的高生產(chǎn)高功率使用的主要問(wèn)題。為了最佳經(jīng)濟(jì)性且為了可期望應(yīng)用DHI技術(shù)的各種產(chǎn)品的堅(jiān)定商業(yè)化，需要生產(chǎn)在指定波長(zhǎng)下的大量裝置。傳統(tǒng)二極管激光器的設(shè)計(jì)必需若干個(gè)制造步驟，所述步驟使得集成到應(yīng)用中較昂貴且自動(dòng)化較昂貴而復(fù)雜。第一方面為，大多數(shù)二極管激光器是在MOC-VD晶片制作機(jī)器中用分層方法化學(xué)地制作的。每一裝置的最終激光發(fā)射方向通常平行于晶片的平面。數(shù)千個(gè)裝置是通過(guò)鋸割或劃線并劈開(kāi)以將其切成個(gè)別裝置而從單個(gè)晶片生產(chǎn)出的。有時(shí)，代替將其切割成個(gè)別裝置，使其保持在物理上連接作為接著稱為激光器條的一行裝置。所述條可含有N個(gè)激光器但通常可為20個(gè)或20個(gè)以上的不同激光裝置，其中的每一者個(gè)別地發(fā)揮作用。所述激光器仍機(jī)械地接合到其相鄰者，因?yàn)槠鋸奈磁c所述相鄰者分離。無(wú)論其是否為‘條’配置或無(wú)論其是否為用于常規(guī)‘邊緣發(fā)射’激光器的個(gè)別激光二極管裝置，都有必要對(duì)每一裝置的邊緣或端執(zhí)行拋光及其它過(guò)程，所述邊緣或端中的一者將變?yōu)榘l(fā)射小面。所有二極管激光器中的絕大多數(shù)被制造為這些‘邊緣發(fā)射型’裝置。在經(jīng)改進(jìn)的設(shè)計(jì)中，將從制造過(guò)程有益地消除對(duì)邊緣的所有此額外處理及注意以便消除若干生產(chǎn)步驟及成本。參考圖5，展示呈安置于襯底14及16上的條12的典型的邊緣發(fā)射裝置10。襯底 14(在一些應(yīng)用中，及/或16)可為冷卻襯底或系統(tǒng)。而且，線D展示光束在其于晶片中被產(chǎn)生時(shí)(最終在小面20處輸出)的大體方向。發(fā)射小面20(展示了其中的三個(gè)實(shí)例)為最終是激光二極管中最常見(jiàn)的故障原因的位點(diǎn)的表面。發(fā)射小面20為脆弱的且對(duì)于激光二極管的壽命來(lái)說(shuō)為關(guān)鍵的。所述表面上的任何刻痕、刮擦、缺陷、污染及一些其它問(wèn)題均可導(dǎo)致額外局部或大規(guī)模的加熱，此又會(huì)導(dǎo)致故障。此通常稱為‘災(zāi)難性小面故障’且是半導(dǎo)體激光器中的最常見(jiàn)故障模式。而且，小面的形狀為大體矩形，因此相對(duì)于激光輸出的快軸及慢軸會(huì)出現(xiàn)控制與輸出一致性的問(wèn)題。參考圖6(a)及6(b)，在傳統(tǒng)邊緣發(fā)射激光裝置10的制造安裝期間遇到的另一問(wèn)題如下。為了使二極管激光器的壽命及輸出最大化，有必要充分且均勻地對(duì)其進(jìn)行冷卻。放出任何實(shí)質(zhì)量的功率的激光器應(yīng)在所述激光二極管的至少一個(gè)側(cè)上恰當(dāng)?shù)匕惭b到某一種類的熱耗散襯底，例如襯底14。為了最佳的冷卻及最大的裝置壽命，小面20的表面必須與散熱冷卻襯底14的邊緣絕對(duì)地齊平且平行(如圖6 (b)的裝置10-2所展示)。如果激光二極管相對(duì)于襯底的邊緣成任何偏斜角度或者并不幾乎完全齊平(圖6(a))，那么從導(dǎo)致早期故障的冷卻觀點(diǎn)看開(kāi)始發(fā)生壞的事情。如果襯底14的任何部分(舉例來(lái)說(shuō))伸出超過(guò)小面表面達(dá)距離N，那么其形成其中可駐存污染物的位置(如圖6(b)的裝置10-3所展示)， 且伸出的襯底變?yōu)槌鲎园l(fā)射小面的雜散射線的反射器/吸收器。兩種狀況均可導(dǎo)致最接近襯底的小面材料的實(shí)質(zhì)的額外加熱。而且，如果如圖6(b)的裝置10-1所展示小面20伸出超過(guò)冷卻襯底14的平面(達(dá)距離M)，那么其阻止襯底從激光裝置中向外散熱，此也可導(dǎo)致激光二極管的關(guān)鍵小面區(qū)的不均勻加熱及過(guò)熱。類似地，已疊置于冷卻襯底或冷卻電路板與激光二極管之間的任何界面介質(zhì)或涂層均可能不一路伸出而達(dá)到齊平或可能露出并導(dǎo)致懸垂材料情形。如同其它狀況，此也可導(dǎo)致或引起災(zāi)難性小面故障。為了消除這些問(wèn)題， 并入可快速安裝且具成本效益而不必?fù)?dān)心剛剛描述的問(wèn)題的激光二極管將為非常合意的。由于許多DHI應(yīng)用為了獲得到目標(biāo)的足夠輻照能量而利用一個(gè)以上激光二極管， 因此安裝復(fù)雜性及所需的二極管的數(shù)目可實(shí)質(zhì)上提升制造DHI系統(tǒng)的成本。因此，當(dāng)前技術(shù)的另一限制為可從單個(gè)激光二極管產(chǎn)生的有限的功率。如果對(duì)激光二極管進(jìn)行較硬驅(qū)動(dòng)或?qū)⑵湓O(shè)計(jì)為較大封裝以便獲得較大功率輸出，那么其提升必須穿過(guò)輸出小面的功率密度。在功率密度上升時(shí)，必須更仔細(xì)地耗散不可避免的熱。通常進(jìn)行的折衷使裝置降低速率以使效率及長(zhǎng)壽命保持合理。仔細(xì)地控制激光裝置或激光陣列的溫度不僅對(duì)于裝置的壽命是關(guān)鍵的，而且其在其它方面也為關(guān)鍵的。隨著激光二極管的溫度上升，輻射輸出降低。而且，隨著溫度改變， 激光二極管裝置的輻射輸出的波長(zhǎng)也改變。對(duì)于大多傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器，輸出每攝氏度的結(jié)溫度改變會(huì)改變.3納米。此成問(wèn)題，因?yàn)樵贒HI系統(tǒng)中，精確地控制裝置的溫度為較昂貴的且可使用較多能量。如上文所詳述的實(shí)質(zhì)問(wèn)題列表為數(shù)字熱注入技術(shù)的實(shí)踐者在設(shè)法使系統(tǒng)商業(yè)化時(shí)將遇到的挑戰(zhàn)，所述系統(tǒng)根本上圍繞常規(guī)邊緣發(fā)射激光二極管及增加由本發(fā)明表示的新穎想法的一些其它窄帶裝置經(jīng)濟(jì)地構(gòu)建而成。

發(fā)明內(nèi)容
在目前所描述實(shí)施例的一個(gè)方面中，系統(tǒng)包括操作以將目標(biāo)定位于促進(jìn)向所述目標(biāo)中施加輻射加熱的輻照區(qū)中的構(gòu)件；至少一個(gè)基于半導(dǎo)體的窄帶輻射發(fā)射裝置元件， 所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置操作以在匹配所述目標(biāo)的所期望吸收特性的輻射熱輸出窄波長(zhǎng)帶下發(fā)射輻射，所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置為安裝式表面發(fā)射激光二極管裝置，所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置安裝到包括電路板及冷卻襯底中的至少一者的安裝實(shí)體，以便相對(duì)于所述安裝實(shí)體的最大平面大體正交地引導(dǎo)來(lái)自所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置的輻照型式的中心軸；安裝布置，其經(jīng)配置以定位所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射二極管裝置，以便將來(lái)自所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射二極管裝置的輻照引導(dǎo)到所述輻照區(qū)中的目標(biāo)；及操作以向所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置供應(yīng)電流的構(gòu)件。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，所述至少一個(gè)基于半導(dǎo)體的窄帶輻射發(fā)射裝置元件形成一個(gè)以上表面發(fā)射激光二極管裝置的陣列。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，所述陣列包括表面發(fā)射激光二極管裝置的 XXY矩陣，其中X及Y兩者均大于一(1)。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，所述陣列呈一個(gè)以上表面發(fā)射激光二極管裝置的經(jīng)工程設(shè)計(jì)陣列的形式，以便已在考慮所述激光二極管裝置的組合的輻照輸出型式的情況下確定相對(duì)幾何位置以提供對(duì)待輻照的既定目標(biāo)的較佳輻照。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，出于改進(jìn)其中輻照到達(dá)既定目標(biāo)的點(diǎn)處的輻照型式的目的而在陣列與目標(biāo)之間疊置透鏡處理布置或反射器布置中的一者。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，在所述陣列中包含至少兩種不同裝置類型的裝置，所述裝置類型由以下各項(xiàng)中的至少一者界定產(chǎn)生不同波長(zhǎng)、由不同晶片襯底化學(xué)品制造、具有不同物理大小、不同功率輸出及具有不同裝置輸出型式。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，至少兩種不同裝置類型的陣列的特征在于為三種或三種以上不同裝置類型。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，所述陣列中所包含的所述不同裝置類型可產(chǎn)生至少兩種不同波長(zhǎng)，所述波長(zhǎng)的中心彼此相距在IOOnm內(nèi)。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，所述陣列中所包含的所述不同裝置類型可產(chǎn)生至少兩種不同波長(zhǎng)，所述波長(zhǎng)的中心彼此相距150nm以上。
在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，所述操作以向所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置供應(yīng)電流的構(gòu)件由可借助以下電源選擇性地供應(yīng)電流的系統(tǒng)構(gòu)成至少一個(gè)電流控制電源，其可由智能控制器控制，控制所述電源的所述智能控制器由以下各項(xiàng)中的至少一者組成可編程邏輯控制器、基于微處理器的控制板、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及嵌入式邏輯控制器。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，所述智能控制器具有選擇性地控制來(lái)自所述至少兩種不同裝置類型的輻照的能力。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，所述智能控制器操作以用數(shù)字方式控制來(lái)自所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置的輻射，其中所述裝置經(jīng)配置以輻照所述目標(biāo)上的一個(gè)以上輻照區(qū)。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，所述智能控制器操作用數(shù)字方式控制來(lái)自所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置的輻射，其中所述裝置經(jīng)配置以在對(duì)應(yīng)于所述目標(biāo)的不同吸收特性的變化波長(zhǎng)下輻照。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，表面發(fā)射激光二極管裝置的幾何布置經(jīng)布置使得輻照輸出型式不需要在激光二極管裝置與輻照目標(biāo)之間疊置任何折射、衍射或反射裝置。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，電路板及冷卻襯底中的至少一者上安裝有八個(gè)以上表面發(fā)射裝置。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置由作為一單元在晶片級(jí)上制造的一個(gè)以上表面發(fā)射裝置的集成電路芯片陣列組成。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，每一激光二極管裝置內(nèi)部的激光發(fā)射沿平行于所述裝置的安裝平面的方向發(fā)生，而所述輸出輻照型式的所述中心軸大體正交于所述安裝平面。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，至少一些裝置的輸出輻照型式為沿其兩個(gè)基本90°相對(duì)軸中的至少一者的經(jīng)準(zhǔn)直光子能量。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，每一裝置的外部輻照型式的分量均不平行于激光二極管裝置本身的最大平面。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，每一裝置的外部輻照型式的分量均平行于安裝襯底的最大平面。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，控制件包含控制向目標(biāo)的特定區(qū)域輻照多少所積累能量的能力。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，所述裝置的中心輸出波長(zhǎng)每攝氏度的激光二極管裝置操作溫度范圍受到小于0.1納米的影響。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，系統(tǒng)包括至少一個(gè)基于半導(dǎo)體的窄帶輻射發(fā)射裝置元件，所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置操作以在匹配目標(biāo)的所期望吸收特性的輻射熱輸出窄波長(zhǎng)帶下發(fā)射輻射，所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置為安裝式表面發(fā)射激光二極管裝置，所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置安裝到包括電路板及冷卻襯底中的至少一者的安裝實(shí)體，以便相對(duì)于所述安裝實(shí)體的最大平面大體正交地引導(dǎo)來(lái)自所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置的輻照型式的中心軸；安裝布置，其經(jīng)配置以定位所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射二極管裝置，以便將來(lái)自所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射二極管裝置的輻照引導(dǎo)到所述輻照區(qū)中的目標(biāo)；及操作以向所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置供應(yīng)電流的構(gòu)件。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，所述至少一個(gè)基于半導(dǎo)體的窄帶輻射發(fā)射裝置元件形成一個(gè)以上表面發(fā)射激光二極管裝置的陣列。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，所述陣列包括表面發(fā)射激光二極管裝置的 XXY矩陣，其中X及Y兩者均大于一(1)。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，用于產(chǎn)生與目標(biāo)相關(guān)聯(lián)的輻射能量的輻照陣列包括半導(dǎo)體輻照陣列，其中裝置不與其上安裝所述陣列的板的任何邊緣齊平地安裝，其中所述安裝板配置為高熱傳導(dǎo)襯底，所述高熱傳導(dǎo)襯底具有用以傳導(dǎo)熱的至少一個(gè)層及用以傳導(dǎo)供電電流的一個(gè)層，其中所述陣列由表面發(fā)射半導(dǎo)體激光裝置構(gòu)成，其中所述裝置陣列的光學(xué)光子輸出的軸實(shí)質(zhì)上垂直于所述安裝襯底的大平面，且其中所述安裝板經(jīng)配置以熱耦合到以下各項(xiàng)中的至少一者水套冷卻系統(tǒng)、熱輻射鰭片布置、狀態(tài)改變冷卻器、經(jīng)壓縮介質(zhì)冷卻器及熱電冷卻器。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，所述陣列為表面發(fā)射裝置的XXY陣列，借此 X及Y兩者均大于一。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，所述陣列為表面發(fā)射裝置的布置，借此所述裝置中的一些裝置相對(duì)于其相鄰裝置旋轉(zhuǎn)。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，方法包括將目標(biāo)物項(xiàng)引入到輻照區(qū)中；使用安裝式表面發(fā)射激光二極管裝置在匹配所述目標(biāo)物項(xiàng)的所期望吸收特性的輻射熱輸出窄波長(zhǎng)帶下發(fā)射輻射，其中所述安裝式表面發(fā)射激光二極管裝置安裝到包括電路板及冷卻襯底中的至少一者的安裝實(shí)體，以便相對(duì)于所述安裝實(shí)體的最大平面大體正交地引導(dǎo)來(lái)自所述裝置的輻照型式的中心軸；及基于所述輻照裝置而輻照所述目標(biāo)物項(xiàng)。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，所述目標(biāo)物項(xiàng)為食品物項(xiàng)。在目前所描述實(shí)施例的另一方面中，所述目標(biāo)物項(xiàng)為預(yù)成型塑料瓶。


圖1 (a)到1 (d)為表面發(fā)射裝置的表示；圖2(a)到2(b)為另一表面發(fā)射裝置的表示；圖3(a)到3(d)為根據(jù)目前所描述實(shí)施例的系統(tǒng)；圖4為根據(jù)目前所描述實(shí)施例的另一系統(tǒng)；圖5為現(xiàn)有技術(shù)配置；且圖6 (a)到6 (b)為現(xiàn)有技術(shù)配置。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明描述已確證但未眾所周知的激光二極管技術(shù)的新式用途。此為作為實(shí)驗(yàn)裝置且作為稱為表面發(fā)射二極管激光器的類別而剛剛從幾家先進(jìn)制造商出現(xiàn)的新類別的裝置。所述裝置具有用于實(shí)踐數(shù)字熱注入技術(shù)的獨(dú)特性質(zhì)，且其不具有上文所指示的限制中的任一者。雖然所述裝置可不表示激光二極管的許多傳統(tǒng)用途的實(shí)質(zhì)改進(jìn)，但其表示實(shí)踐數(shù)字熱注入技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性及實(shí)際性兩者的實(shí)質(zhì)上新穎的改進(jìn)。DHI應(yīng)用的設(shè)計(jì)及制造通常涉及用于每一系統(tǒng)的大量激光二極管裝置-由于在用實(shí)質(zhì)量的能量輻照相對(duì)大的表面積及加熱目標(biāo)物項(xiàng)時(shí)經(jīng)常涉及所述裝置。功率激光二極管的許多傳統(tǒng)應(yīng)用使用小量的激光二極管且可認(rèn)為較昂貴的非自動(dòng)化安裝方法是合理的。相反，為使許多DHI應(yīng)用實(shí)際，有必要使用高度自動(dòng)化的制造方法并通過(guò)高批量制造的最佳實(shí)踐而驅(qū)動(dòng)成本降低。裝置及制造成本對(duì)于DHI應(yīng)用為如此重要的，以致消費(fèi)者可認(rèn)為是合理的應(yīng)用的數(shù)目與主要受安裝式裝置的成本驅(qū)動(dòng)的制造成本成反比。正是由于此原因使得本發(fā)明的發(fā)明人一直尋求作為使得所述技術(shù)可商業(yè)化的關(guān)鍵步驟來(lái)實(shí)施激光二極管的新穎方式。此類型表面發(fā)射裝置的實(shí)施方案具有以下優(yōu)點(diǎn)根本不需要相對(duì)于冷卻電路板或襯底的邊緣的精確對(duì)準(zhǔn)。由于所述裝置正交于其所源自的制造晶片的平面發(fā)射能量而使得此成為可能。實(shí)際激光發(fā)射平行于表面而發(fā)生，但能量是從激光二極管裝置垂直于激光發(fā)射方向而發(fā)射的。由于其并非正常的邊緣發(fā)射裝置，因此其消除關(guān)于微小的脆弱小面的擔(dān)憂及與所述小面相關(guān)聯(lián)的所有問(wèn)題。所述裝置具有在其最大或安裝表面的平面上具有發(fā)射小面的另一優(yōu)點(diǎn)，所述最大或安裝表面為邊緣發(fā)射裝置的小面的大小的許多倍。此顯著減小穿過(guò)小面的能量密度，且因此實(shí)質(zhì)上增加可靠性。在一些設(shè)計(jì)中，已展示出與邊緣發(fā)射裝置相比在表面發(fā)射布置的情況下能量密度小多達(dá)三個(gè)數(shù)量級(jí)。此通常應(yīng)會(huì)導(dǎo)致實(shí)質(zhì)上更長(zhǎng)的壽命及經(jīng)改進(jìn)的較經(jīng)濟(jì)及高效的冷卻配置。冷卻得以簡(jiǎn)化的原因之一是，輸出方向可垂直于安裝板一因此可針對(duì)同一平面中的許多裝置實(shí)現(xiàn)冷卻。本發(fā)明具有以下另一優(yōu)點(diǎn)具有隨裝置的幾何比例成比例增大的孔口，使得在穿過(guò)發(fā)射小面的低能量密度的情況下可能有非常高功率輸出的裝置。本發(fā)明具有發(fā)射在至少一種形式中已沿一個(gè)軸經(jīng)準(zhǔn)直而沿另一軸僅具有適中發(fā)散角度的輻照能量的另一優(yōu)點(diǎn)。此允許輻射能量輸出的非常容易的處置且因此允許使用較簡(jiǎn)單且較低廉的透鏡或光學(xué)裝置(例如由相對(duì)低廉的材料制成的圓柱形透鏡條)。事實(shí)上， 此特征消除了許多DHI應(yīng)用中對(duì)任何透鏡處理的需要。此為充分配置的系統(tǒng)的另一成本減小。此還允許對(duì)(舉例來(lái)說(shuō))為不同目標(biāo)區(qū)指定的裝置陣列的輸出的較佳區(qū)控制。本發(fā)明具有以下另一優(yōu)點(diǎn)具有對(duì)輻照波長(zhǎng)的非常嚴(yán)格的控制?？缭骄牡湫蜕a(chǎn)變化僅為+/-1或2納米，此對(duì)于甚至最關(guān)鍵的DHI應(yīng)用來(lái)說(shuō)也為足夠嚴(yán)格的以消除對(duì)分類為特定波長(zhǎng)的需要。在生產(chǎn)分類對(duì)于具有非常高的合格率為不必要的情況下，針對(duì)典型的高批量DHI應(yīng)用存在另一實(shí)質(zhì)成本減小益處。因此，使用這些裝置的數(shù)字熱注入系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)高可靠性但是在自然精確的波長(zhǎng)下發(fā)射的大的表面積。本發(fā)明的又一優(yōu)點(diǎn)為溫度的改變對(duì)裝置的波長(zhǎng)輸出具有小至少一數(shù)量級(jí)的影響。 輸出變化通常為每攝氏度的結(jié)溫度改變大約.03納米的改變。此為顯著的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槠涫沟美鋮s不那么關(guān)鍵且使得較簡(jiǎn)單的不那么昂貴的冷卻技術(shù)對(duì)于許多DHI應(yīng)用是實(shí)際的。舉例來(lái)說(shuō)，可不需要復(fù)雜的深冷器，而是借助散熱鰭片的空氣冷卻對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)可為充足的。而且，散熱襯底可通常具有較不復(fù)雜的設(shè)計(jì)，此為了不起的成本節(jié)省現(xiàn)實(shí)。另一優(yōu)點(diǎn)為，可借助較常規(guī)的不那么精確的拾取與放置型設(shè)備以較類似于可安裝其它非光學(xué)電路板組件的方式的方式將所預(yù)期的表面發(fā)射裝置安裝于安裝實(shí)體上。而且，由于裝置的輸出垂直于安裝板，因此可使得電連接較容易。本發(fā)明的又一優(yōu)點(diǎn)為抑制反射回到激光裝置的輻照光子，使得雜散光極不可能導(dǎo)致對(duì)激光裝置內(nèi)部的結(jié)區(qū)
10的損壞。且又一優(yōu)點(diǎn)為表面發(fā)射裝置的形狀因子有助于以極高功率的單裝置版本制造裝置。舉例來(lái)說(shuō)，可制造將超過(guò)75瓦特的單個(gè)二極管激光器。表面發(fā)射裝置的又一優(yōu)點(diǎn)為，可在砷化鎵襯底及磷化銦襯底兩者上制造其以促進(jìn)在寬廣范圍的DHI應(yīng)用中的使用?，F(xiàn)在參考圖1 (a)到1 (C)，圖解說(shuō)明表面發(fā)射散布式反饋半導(dǎo)體激光二極管裝置 100。此裝置可以多種公開(kāi)案中所描述的多種不同方式制造，但在一種形式中可根據(jù)(舉例來(lái)說(shuō))以下文獻(xiàn)來(lái)制造第5，345，466號(hào)美國(guó)專利、第5，867，521號(hào)美國(guó)專利、第6，195，381 號(hào)美國(guó)專利，及第2005/0238079號(hào)美國(guó)公開(kāi)案。所有這些文件均以全文引用的方式并入本文中。簡(jiǎn)單地說(shuō)，在一種實(shí)例性形式中且在不受限制的情況下，裝置100通常將包含包括發(fā)射表面120的激光二極管部分110。值得注意地，二極管的制作還包含冷卻襯底130的提供。另外，發(fā)射表面120包含發(fā)射區(qū)140以沿預(yù)定方向有利地發(fā)射輻射150。值得注意地，裝置100部分地由于下伏光柵表面(未展示)而能夠?qū)崿F(xiàn)此性能及功能性。就此來(lái)說(shuō)， 所述光柵本質(zhì)上可為彎曲的?，F(xiàn)在參考圖1 (d)，將裝置100或其變化形式展示為散布在實(shí)例性陣列200中。將裝置100展示為以使得不提供所述陣列的輻射間隙的方式散布。在一些形式中，所述陣列的配置及所使用陣列的數(shù)目將允許對(duì)所述陣列的若干區(qū)的有利控制，以便可以適當(dāng)方式來(lái)控制此類區(qū)。而且，提供串聯(lián)電連接以實(shí)現(xiàn)合意驅(qū)動(dòng)電壓的若干陣列或陣列群組可為有利的。此在實(shí)踐數(shù)字熱注入時(shí)為實(shí)質(zhì)上有利的，使得可將導(dǎo)線大小保持為合理線規(guī)。由于高電流要求在低電壓下驅(qū)動(dòng)高瓦特?cái)?shù)將需要大直徑導(dǎo)線。大直徑導(dǎo)線為較昂貴的，且利用并連接大直徑導(dǎo)線為實(shí)質(zhì)上較困難的。相比之下，激光二極管條中的所有激光二極管將因其封裝的物理約束而彼此電并聯(lián)。假定所述激光二極管因此必須被冷卻及安裝的方式，實(shí)現(xiàn) DHI配置陣列的一系列電連接的方便性較具挑戰(zhàn)性。如上文所提及，表面發(fā)射散布式反饋半導(dǎo)體激光二極管(例如裝置100)具有優(yōu)于較傳統(tǒng)激光型裝置的明顯優(yōu)點(diǎn)。如可看出，激光二極管部分110在冷卻襯底130上的對(duì)準(zhǔn)不再困難。其不需要精確邊緣對(duì)準(zhǔn)。而且，如圖1(b)及1(c)中所展示，從發(fā)射表面120發(fā)射的輻射沿一個(gè)維度經(jīng)準(zhǔn)直(圖1(b)-側(cè)視圖)且沿另一維度為成平緩角度的發(fā)散(圖 1((3) —端視圖)。此不同于具有發(fā)散快軸及慢軸的大多數(shù)激光二極管。此在所預(yù)期的DHI 應(yīng)用中具有明顯優(yōu)點(diǎn)輻射的透鏡處理(如果有必要)在一個(gè)維度上變得簡(jiǎn)化，因此促進(jìn)在許多應(yīng)用中更加簡(jiǎn)單形式的透鏡處理及/或?qū)θ舾蓞^(qū)的經(jīng)改進(jìn)控制。而且，這些裝置的公差大約為每晶片+或-1納米，一此與較傳統(tǒng)激光裝置的大得多的公差相對(duì)立。因此，裝置 100的顯著優(yōu)點(diǎn)為，變窄的操作范圍將允許施加在目標(biāo)的位于其吸收曲線的非?！岸盖汀辈糠稚系奈辗秶械哪芰?。圖1(a)到1(d)展示可經(jīng)實(shí)施以實(shí)現(xiàn)目前所描述實(shí)施例的目的的裝置的一個(gè)實(shí)例性實(shí)施例。然而，根據(jù)目前所描述實(shí)施例的表面發(fā)射裝置可采取多種形式。例如這些形式的裝置通常將具有包括垂直于輸出方向的發(fā)射表面(其可為裝置上具有目標(biāo)尺寸的表面) 的大于35% (左右)的發(fā)射區(qū)。
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圖2 (a)及2(b)中展示可在目前所描述實(shí)施例內(nèi)有利地實(shí)施的表面發(fā)射裝置的另一實(shí)例。此類裝置揭示于第2004/0066817號(hào)及第2005/0180482號(hào)美國(guó)申請(qǐng)案中一所述申請(qǐng)案兩者以全文引用的方式并入本文中。如圖所示，表面發(fā)射裝置10包括含有激光條帶14及反射元件16的半導(dǎo)電裸片或襯底12。在激光條帶14中產(chǎn)生激光光束18且其經(jīng)反射離開(kāi)元件16，使得激光光束18從裝置10且沿大體垂直于襯底12的表面22的方向發(fā)射。在一種形式中，如圖所示，激光光束 18沿朝向裝置的邊緣20的方向行進(jìn)。參考圖2(b)，如圖2(a)中所示的裝置布置成陣列。 所述一或多個(gè)陣列可以多種方式配置以實(shí)現(xiàn)目前所描述實(shí)施例的目的。然而，在至少一種形式中，數(shù)個(gè)裝置10彼此鄰近地布置以形成一列或一行且在特定襯底上提供多個(gè)列或行。 而且，如可看出，形成陣列的多個(gè)裝置大體沿垂直于襯底12的表面22的方向發(fā)射輻射以提供輻射光束的區(qū)域70。圖2(a)及2(b)中所圖解說(shuō)明的裝置具有許多與圖1 (a)到1 (d)中所圖解說(shuō)明的裝置相同的優(yōu)點(diǎn)。然而，圖2(a)與2(b)的裝置的實(shí)施方案的一個(gè)差異為，從裝置10發(fā)射的光未必與圖1(a)到1(d)的裝置一樣沿一個(gè)方向經(jīng)準(zhǔn)直。裝置10也不維持與圖1(a)到 1(d)中所設(shè)計(jì)的裝置一樣大的孔口。然而，如同圖1(a)到1(d)的裝置，圖2(a)到2 (b) 的裝置確實(shí)包含在精確波長(zhǎng)下發(fā)射的較大表面積。此外，發(fā)射方向正交于裝置的大軸或面。 此意味著，在許多DHI應(yīng)用中，安裝電路板的平面可正交于輻照的方向。在此定向中，來(lái)自激光裝置的輻射發(fā)射可正對(duì)著目標(biāo)。因此，此系統(tǒng)的透鏡處理布置(無(wú)論其呈一維還是二維)相對(duì)于其它類型的激光二極管實(shí)施方案大大簡(jiǎn)化。重要地，來(lái)自圖1(a)到1(d)及來(lái)自圖2(a)到2(b)兩者的發(fā)射裝置中的表面的兩種配置均維持上文所描述的安裝考慮因素的容易性。此將結(jié)合圖3(a)到3(d)及圖4更詳細(xì)地加以描述。此外，應(yīng)了解，在至少一種形式中，配置結(jié)合目前所描述實(shí)施例實(shí)施的表面發(fā)射裝置，其中每一激光二極管裝置內(nèi)部的激光發(fā)射沿平行于裝置的最大(或安裝)平面的方向發(fā)生，而輸出輻照型式的中心軸大體正交于裝置的最大(或安裝)平面。在至少一種形式中，至少一些裝置的輸出輻照型式為沿其兩個(gè)基本90°相對(duì)軸中的至少一者的經(jīng)準(zhǔn)直光子能量。在至少一種形式中，每一裝置的外部輻照型式的分量均不平行于激光二極管裝置本身的最大(或安裝)平面。此外，在至少一種形式中，裝置的中心輸出波長(zhǎng)每攝氏度的激光二極管裝置操作溫度改變受到小于0. 1納米的影響?，F(xiàn)在參考圖3(a)，展示目前所描述實(shí)施例并入到其中的系統(tǒng)。系統(tǒng)500包含控制模塊510以及陣列520及透鏡布置525 (如果有必要)。陣列520可采取本文中所預(yù)期的形式中的任一者且輻照臺(tái)架區(qū)530以形成輻照或目標(biāo)區(qū)M0。應(yīng)了解，控制模塊510可采取多種形式，包含用以控制電流控制電源的智能控制器的形式，所述電流控制電源控制到表面發(fā)射裝置的電流。應(yīng)了解，所述控制模塊可包含或控制用以向表面發(fā)射裝置供應(yīng)電流的構(gòu)件或機(jī)構(gòu)或系統(tǒng)。所述智能控制器可為可編程邏輯控制器、基于微處理器的控制板、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)或嵌入式邏輯控制器。所述智能控制器具有選擇性地控制來(lái)自至少兩種不同裝置類型的輻照的能力。所述智能控制器具有單獨(dú)地控制來(lái)自至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置的輻射的能力，其中所述裝置經(jīng)配置以向目標(biāo)上的一個(gè)以上輻照區(qū)中輻照。因此，在許多形式中，控制模塊510具有控制向目標(biāo)的特定區(qū)域輻照多少所積累能量的能力。
陣列520可采取多種形式。然而，在至少一種形式中，所述陣列包括至少一個(gè)基于半導(dǎo)體的窄帶輻射發(fā)射裝置元件，其中所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置操作以在匹配目標(biāo)的所期望吸收特性的輻射熱輸出窄波長(zhǎng)帶下發(fā)射輻射且為安裝式表面發(fā)射激光二極管裝置。在至少一種形式中，所述裝置經(jīng)配置以在對(duì)應(yīng)于一或多個(gè)目標(biāo)的不同吸收特性的變化波長(zhǎng)下輻照。所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置可安裝到例如電路板及/或冷卻襯底的安裝實(shí)體，以便相對(duì)于所述安裝實(shí)體的最大平面大體正交地引導(dǎo)來(lái)自所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置的輻照型式的中心軸。安裝布置可經(jīng)配置以定位所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射二極管裝置，以便將來(lái)自所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射二極管裝置的輻照引導(dǎo)到輻照區(qū)中的目標(biāo)。 而且，所述至少一個(gè)基于半導(dǎo)體的窄帶輻射發(fā)射裝置元件形成為一個(gè)以上表面發(fā)射激光二極管裝置的陣列。在一種形式中，所述陣列包括表面發(fā)射激光二極管裝置的XXY矩陣--其中X及Y兩者均大于一(1)。在一種形式中，所述陣列呈一個(gè)以上表面發(fā)射激光二極管裝置的經(jīng)工程設(shè)計(jì)陣列的形式，以便已在考慮所述激光二極管裝置的組合的輻照輸出型式的情況下確定相對(duì)幾何位置以提供對(duì)待輻照的既定目標(biāo)的較佳輻照。在至少一種形式中，在所述陣列中包含至少兩種不同裝置類型的裝置，所述裝置類型由以下各項(xiàng)中的至少一者界定產(chǎn)生不同波長(zhǎng)、由不同晶片襯底化學(xué)品制造、具有不同物理大小及不同功率輸出。至少兩種不同裝置類型的陣列的特征可在于為三種或三種以上不同裝置類型。在至少一種形式中，所述陣列中所包含的所述不同裝置類型可產(chǎn)生至少兩種不同波長(zhǎng)，所述波長(zhǎng)的中心彼此相距在IOOnm內(nèi)或彼此相距150nm以上。而且，應(yīng)了解，根據(jù)本發(fā)明用于產(chǎn)生與目標(biāo)相關(guān)聯(lián)的輻射能量的輻照陣列包含半導(dǎo)體輻照陣列，其中裝置不與其上安裝所述陣列的板的任何邊緣齊平地安裝。在一種形式中，所述安裝板配置為高熱傳導(dǎo)襯底，所述高熱傳導(dǎo)襯底具有用以傳導(dǎo)熱的至少一個(gè)層及用以傳導(dǎo)供電電流的一個(gè)層。所述陣列由表面發(fā)射半導(dǎo)體激光裝置構(gòu)成，其中所述裝置陣列的光學(xué)光子輸出的軸實(shí)質(zhì)上垂直于所述安裝襯底的大平面。在一種形式中，所述安裝板還經(jīng)配置以熱耦合到以下各項(xiàng)中的至少一者水套冷卻系統(tǒng)、熱輻射鰭片布置、狀態(tài)改變冷卻器、經(jīng)壓縮介質(zhì)冷卻器及熱電冷卻器。另外，所述裝置可以多種方式定位于襯底上。舉例來(lái)說(shuō)，可提供若干裝置行及列， 其中所述裝置全部以同一方式定向，即，所有裝置的長(zhǎng)度(或?qū)挾?方向?yàn)槠叫械?。行或列還可經(jīng)偏移(如在圖3(b)中)。此外，行及/或列中的交替裝置可旋轉(zhuǎn)(舉例來(lái)說(shuō))90°， 使得相鄰裝置的長(zhǎng)度(或?qū)挾?方向彼此正交。在至少一個(gè)應(yīng)用中，交替裝置的此旋轉(zhuǎn)允許較均一的輻照?qǐng)觥６?，所述陣列可形成于電路板或冷卻襯底上，以便可在其上形成任何數(shù)目個(gè)表面發(fā)射裝置。實(shí)例性陣列上將具有八(8)個(gè)表面發(fā)射裝置。而且，所述陣列可為作為一單元在晶片級(jí)上制造的多個(gè)裝置的集成芯片陣列。關(guān)于如上文所提及的任選透鏡布置525，將了解此透鏡處理布置可采取多種形式， 但在至少一種形式中，其為與相對(duì)于激光二極管應(yīng)用已知的布置相比時(shí)經(jīng)簡(jiǎn)化的透鏡處理布置。就此來(lái)說(shuō)，裝置的表面發(fā)射性質(zhì)允許發(fā)射表面正對(duì)著目標(biāo)區(qū)，也就是說(shuō)，發(fā)射正交于安裝襯底的平面。此減少對(duì)復(fù)雜光學(xué)器件系統(tǒng)的需要。因此，在許多情況下，放置于裝置前面的簡(jiǎn)單圓柱形透鏡(舉例來(lái)說(shuō))將足以用于透鏡處理應(yīng)用。就此來(lái)說(shuō)，可實(shí)施用于多個(gè)裝置的單個(gè)圓柱形透鏡或用于每一裝置的單獨(dú)透鏡。而且，由于表面發(fā)射裝置通常具有較大的小面面積及較小的功率密度，因此可實(shí)施較不昂貴的透鏡布置及材料。這些優(yōu)點(diǎn)在其中在精確波長(zhǎng)下發(fā)射的大的表面積為令人滿意的DHI應(yīng)用中成為合意的。在激光應(yīng)用中通常為所期望的高能量密度在DHI應(yīng)用中并非必需的。當(dāng)然，雖然可能有多種配置，但在一種形式中，出于改進(jìn)其中輻照到達(dá)既定目標(biāo)的點(diǎn)處的輻照型式的目的而在陣列與目標(biāo)之間疊置透鏡處理布置或反射器布置中的一者。在其它形式中，表面發(fā)射激光二極管裝置的幾何布置經(jīng)布置使得輻照輸出型式不需要在激光二極管裝置與輻照目標(biāo)之間疊置任何折射、衍射或反射裝置。臺(tái)架區(qū)530及輻照或目標(biāo)區(qū)540還可采取多種形式。在一種形式中，所述臺(tái)架區(qū)包含用以將目標(biāo)移動(dòng)到待輻照的區(qū)540中的傳送器或旋轉(zhuǎn)盤(pán)。臺(tái)架區(qū)530還可為固定板或其它支撐元件。在一些形式中，所述臺(tái)架區(qū)可為固定的，但所述陣列(及透鏡，如果包含的話)相對(duì)于目標(biāo)移動(dòng)。當(dāng)然，配置隨應(yīng)用而變。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，圖3的系統(tǒng)500可采取多種形式及實(shí)施方案。舉例來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)500可采取用于在吹塑模制過(guò)程期間加熱預(yù)成型塑料瓶的系統(tǒng)的形式。在另一形式中，系統(tǒng)500可定位于用于烘焙各種類型的食品物項(xiàng)的爐中。就此來(lái)說(shuō)，參考圖3(b)及3 (c)，圖解說(shuō)明圖3 (a)的裝置的實(shí)施方案的實(shí)例。應(yīng)了解，圖3(b)及3(c)中所圖解說(shuō)明的裝置或系統(tǒng)本質(zhì)上僅為示范性且可采取多種其它形式。 如上文所提及，圖3(c)中展示目標(biāo)535。此目標(biāo)可采取多種形式，包含塑料預(yù)成型瓶或例如匹薩的食品物項(xiàng)的形式。還應(yīng)了解，目標(biāo)物件的變化可需要所述系統(tǒng)的在研究本發(fā)明之后應(yīng)即刻明了的變化(舉例來(lái)說(shuō)，傳送系統(tǒng)或臺(tái)架區(qū)的改變)。更具體來(lái)說(shuō)，圖3(b)圖解說(shuō)明陣列520的實(shí)例性形式。如圖所示，陣列520具有其上所揭示的多個(gè)表面發(fā)射裝置522。每一表面發(fā)射裝置包含一發(fā)射表面或區(qū)，例如5M處所示的發(fā)射表面或區(qū)。圖3(b)中所示的陣列520圖解說(shuō)明可在電路板上實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)發(fā)射表面以朝向物件發(fā)射輻射。如圖所示，陣列520將允許朝向沿垂直于裝置522中的每一者的長(zhǎng)側(cè)的方向行進(jìn)的目標(biāo)發(fā)射均一輸出。將以多種方式布置或控制例如裝置522的裝置。舉例來(lái)說(shuō)，如圖所示布置成若干列的兩個(gè)或三個(gè)裝置的每一集合可被視為單獨(dú)的發(fā)射區(qū)且作為單獨(dú)的發(fā)射區(qū)加以控制。在其它實(shí)施例中，區(qū)控制可并非是優(yōu)先的，然而，配置及冷卻的效率可決定型式。如上文所提及，由于例如522的裝置可布置于電路板或冷卻襯底上以沿垂直于發(fā)射表面的方向輸出能量，因此獲得經(jīng)改進(jìn)的性能。這些改進(jìn)不可使用邊緣發(fā)射激光二極管獲得，如依據(jù)本文中的揭示內(nèi)容應(yīng)明了?，F(xiàn)在參考圖3(c)，展示陣列520呈發(fā)射表面借以朝向駐存于臺(tái)架區(qū)530上加熱區(qū) 540內(nèi)的物件535發(fā)射輻射的定向。出于此圖解說(shuō)明的目的，應(yīng)注意，物件535的行進(jìn)方向進(jìn)入/離開(kāi)頁(yè)面，如點(diǎn)所指示。結(jié)合陣列520，還展示透鏡或透鏡布置525。透鏡525可采取多種配置。然而，表面發(fā)射裝置的使用允許透鏡處理裝置525呈現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單且低廉的配置。就此來(lái)說(shuō)，所述透鏡可為形成為經(jīng)定大小以有利地散布從陣列520發(fā)射的能量的條的簡(jiǎn)單圓柱形透鏡。應(yīng)了解，透鏡布置525僅為用于任何給定應(yīng)用的任選特征。還應(yīng)了解，透鏡525距所述陣列的表面的相對(duì)位置可決定在輸出或目標(biāo)535處經(jīng)歷的型式。舉例來(lái)說(shuō)， 此型式依據(jù)透鏡陣列520上的裝置522的布置而變。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解透鏡可視需要而散布能量及聚焦能量的方式。在任一情況下，表面發(fā)射裝置的使用都允許透鏡的使用及配置的較大靈活性，因?yàn)楸砻姘l(fā)射裝置的較有利的能量散布允許較接近于發(fā)射表面來(lái)放置透鏡布置。此出于至少以下原因而無(wú)法使用邊緣發(fā)射裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)邊緣發(fā)射裝置可產(chǎn)生太多的熱且在透鏡上或透鏡中產(chǎn)生將不有利于恰當(dāng)性能的熱點(diǎn)。還展示陣列520具有冷卻線路5 及冷卻鰭片528。冷卻裝置的布置的簡(jiǎn)單性圖解說(shuō)明使用表面發(fā)射裝置借此所述裝置沿垂直于發(fā)射表面及襯底或安裝實(shí)體的最大平面的方向發(fā)射的又一優(yōu)點(diǎn)。此允許如本文中所示的簡(jiǎn)化冷卻布置。還展示保護(hù)屏蔽物526。保護(hù)屏蔽物5 可采取多種形式。然而，在至少一種形式中，保護(hù)屏蔽物526由將在所期望波長(zhǎng)下為透明的但還保護(hù)陣列免受不期望的磨損的材料制成?，F(xiàn)在參考圖3 (d)，展示曲線圖550。在所述曲線圖中，對(duì)照橫跨目標(biāo)的至少兩個(gè)區(qū)的距離D用曲線圖表示在所述目標(biāo)處所經(jīng)歷的輸出百分比。如圖所示，線A圖解說(shuō)明利用表面發(fā)射裝置的系統(tǒng)。就此來(lái)說(shuō)，線A展示從在一區(qū)的邊界或邊緣處所經(jīng)歷的100%輸出到所經(jīng)歷的0%輸出的急劇降低。使用邊緣發(fā)射裝置，預(yù)期輸出B。此為更加平緩傾斜的曲線。 此圖解說(shuō)明使用表面發(fā)射裝置借此輸出的至少一個(gè)方向經(jīng)準(zhǔn)直一使得不經(jīng)歷平緩傾斜的曲線或高斯下降(例如在線B處所示的下降)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。就此來(lái)說(shuō)，可預(yù)期使用表面發(fā)射裝置的陣列的輸出本質(zhì)上為更加直線的，而邊緣發(fā)射裝置的輻射輸出趨向于更橢圓及高斯的。以此方式，表面發(fā)射裝置的使用允許對(duì)輸出的較佳區(qū)控制。此外，將了解，較高數(shù)目的較小陣列可用于針對(duì)較大陣列進(jìn)行更精細(xì)的區(qū)控制，借此期望較大區(qū)或較少精確區(qū)。參考圖4，裝置100(或10)可以圓柱形配置并入以加熱例如塑料瓶預(yù)成型件610 的物項(xiàng)。在此形式中，實(shí)際實(shí)施方案可依據(jù)使物項(xiàng)610移動(dòng)、使陣列100移動(dòng)或使兩者移動(dòng)的設(shè)計(jì)者期望而變化。輻照源或目標(biāo)的移動(dòng)(通過(guò)各種手段，例如液壓系統(tǒng)、活塞、電機(jī)等) 在DHI加熱應(yīng)用中可為必需的。還圖解說(shuō)明反射表面618及透鏡布置620。如上所述，這些透鏡配置可大大地簡(jiǎn)化且比用于激光二極管應(yīng)用的其它已知透鏡布置更具成本效益。透鏡布置620還可提供將激光二極管陣列與可來(lái)自環(huán)境或目標(biāo)的任何污染物隔離的功能。舉例來(lái)說(shuō)，將屏蔽烹調(diào)爐中的食品飛濺物使其不沉積在激光陣列設(shè)備中的任一者上，使得所述透鏡布置保護(hù)所述設(shè)備的壽命。如果在一些類型的應(yīng)用中不必使用透鏡處理，那么元件620 可采取僅一保護(hù)屏蔽物的形式，所述屏蔽物在正用于所述應(yīng)用的波長(zhǎng)下為透明的。在一些情況下，可使用透鏡處理布置及保護(hù)屏蔽物兩者。如此處理的一個(gè)原因可為使得可用清潔的或潔凈的保護(hù)屏蔽物來(lái)周期性地替換所述保護(hù)屏蔽物。此類屏蔽物可為一次性的或?yàn)榭蓪?duì)其進(jìn)行清潔并再使用的類型。關(guān)于保護(hù)屏蔽物應(yīng)存在的另一特征可為抗反射涂層或用于其它目的的涂層。一些表面發(fā)射激光二極管發(fā)射偏振光束，因此保護(hù)屏蔽物配置還可適合于使用偏振來(lái)達(dá)到良好效應(yīng)。圖4中所示的布置展示進(jìn)一步圖解說(shuō)明在DHI應(yīng)用中使用表面發(fā)射裝置相對(duì)于使用邊緣發(fā)射裝置的優(yōu)點(diǎn)。就此來(lái)說(shuō)，應(yīng)重申表面發(fā)射裝置的輸出垂直于所制作的裝置或安裝布置或?qū)嶓w的最大表面。就此來(lái)說(shuō)，此允許經(jīng)改進(jìn)的冷卻及其它技術(shù)。因此，在圖4中， 可實(shí)現(xiàn)在一些應(yīng)用中可為所期望的非常緊湊的布置。假如在圖4中所示的布置中使用邊緣發(fā)射裝置，那么可需要電路板經(jīng)定位以便使用多個(gè)電路板來(lái)形成每一陣列且經(jīng)布置以從陣列的背側(cè)伸出。這些電路板將沿平行于朝向目標(biāo)610的輸出的方向定向。如此，裝置600 的配置可比在使用表面發(fā)射裝置的情況下所必需的配置大得多且更復(fù)雜及笨重。應(yīng)了解，目前所描述實(shí)施例的操作可依據(jù)特定實(shí)施方案而變化。然而，在至少一種形式中，本文中所描述的系統(tǒng)(及其變化形式)通常將實(shí)現(xiàn)在輻照區(qū)中定位或引入目標(biāo) (例如，通過(guò)傳送器、旋轉(zhuǎn)盤(pán)、液壓系統(tǒng)等)及表面發(fā)射裝置(在許多形式中，配置成若干陣列)的后續(xù)操作以朝向目標(biāo)發(fā)射匹配所述目標(biāo)的所期望吸收特性的窄帶輻射。此允許所期望的加熱、烹調(diào)等。所述系統(tǒng)將在控制器或控制模塊的控制之下，以便以本文中所描述的方式(例如，均一地、在若干區(qū)中、在不同波長(zhǎng)下、在不同位置處等)將電流提供到裝置或裝置陣列。應(yīng)了解，所述控制器以及所預(yù)期系統(tǒng)的控制功能性的其它裝置可采取多種形式。舉例來(lái)說(shuō)，所述控制器可利用存儲(chǔ)由適合處理器執(zhí)行的例程的存儲(chǔ)器裝置或存儲(chǔ)器位置。就此來(lái)說(shuō)，可使用多種不同的軟件例程及/或硬件配置來(lái)實(shí)施及/或控制本發(fā)明的技術(shù)。
上文描述僅提供本發(fā)明的特定實(shí)施例的揭示內(nèi)容且并不既定用于將本發(fā)明限制于所述特定實(shí)施例的目的。如此，本發(fā)明并不僅限制于上述實(shí)施例。而是，應(yīng)認(rèn)識(shí)到，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可構(gòu)想出歸屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)的替代實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種用于將輻射能量不接觸注入到目標(biāo)中的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 操作以將目標(biāo)定位于促進(jìn)向所述目標(biāo)中施加輻射加熱的輻照區(qū)中的構(gòu)件；至少一個(gè)基于半導(dǎo)體的窄帶輻射發(fā)射裝置元件，所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置操作以在匹配所述目標(biāo)的所期望吸收特性的輻射熱輸出窄波長(zhǎng)帶下發(fā)射輻射； 所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置為安裝式表面發(fā)射激光二極管裝置； 所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置安裝到包括電路板及冷卻襯底中的至少一者的安裝實(shí)體，以便相對(duì)于所述安裝實(shí)體的最大平面大體正交地引導(dǎo)來(lái)自所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置的輻照型式的中心軸；安裝布置，其經(jīng)配置以定位所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射二極管裝置，以便將來(lái)自所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射二極管裝置的輻照引導(dǎo)到所述輻照區(qū)中的目標(biāo)；及操作以向所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置供應(yīng)電流的構(gòu)件。
2.一種用于將輻射能量不接觸注入到目標(biāo)中的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括至少一個(gè)基于半導(dǎo)體的窄帶輻射發(fā)射裝置元件，所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置操作以在匹配所述目標(biāo)的所期望吸收特性的輻射熱輸出窄波長(zhǎng)帶下發(fā)射輻射； 所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置為安裝式表面發(fā)射激光二極管裝置； 所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置安裝到包括電路板及冷卻襯底中的至少一者的安裝實(shí)體，以便相對(duì)于所述安裝實(shí)體的最大平面大體正交地引導(dǎo)來(lái)自所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置的輻照型式的中心軸；安裝布置，其經(jīng)配置以定位所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射二極管裝置，以便將來(lái)自所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射二極管裝置的輻照引導(dǎo)到輻照區(qū)中的目標(biāo)；及操作以向所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置供應(yīng)電流的構(gòu)件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)基于半導(dǎo)體的窄帶輻射發(fā)射裝置元件形成一個(gè)以上表面發(fā)射激光二極管裝置的陣列。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述陣列包括表面發(fā)射激光二極管裝置的XXY矩陣，其中X及Y兩者均大于一(1)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中在所述陣列中包含至少兩種不同裝置類型的裝置所述裝置類型由以下各項(xiàng)中的至少一者界定產(chǎn)生不同波長(zhǎng)、由不同晶片襯底化學(xué)品制造、具有不同物理大小、不同功率輸出及具有不同裝置輸出型式。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述陣列中所包含的所述不同裝置類型可產(chǎn)生至少兩種不同波長(zhǎng)，所述波長(zhǎng)的中心彼此相距150nm以上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中所述操作以向所述至少一個(gè)窄帶輻射發(fā)射裝置供應(yīng)電流的構(gòu)件由可借助以下電源選擇性地供應(yīng)電流的系統(tǒng)構(gòu)成至少一個(gè)電流控制電源，其可由智能控制器控制控制所述電源的所述智能控制器由以下各項(xiàng)中的至少一者組成可編程邏輯控制器、 基于微處理器的控制板、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及嵌入式邏輯控制器。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述智能控制器具有選擇性地控制來(lái)自所述至少兩種不同裝置類型的輻照的能力。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中每一激光二極管裝置內(nèi)部的激光發(fā)射沿平行于所述裝置的安裝平面的方向發(fā)生，而所述輸出輻照型式的所述中心軸大體正交于所述安裝平
10.一種用于產(chǎn)生與目標(biāo)相關(guān)聯(lián)的輻射能量的輻照陣列，其包括半導(dǎo)體輻照陣列，其中裝置不與其上安裝所述陣列的板的任何邊緣齊平地安裝；其中所述安裝板配置為高熱傳導(dǎo)襯底，所述高熱傳導(dǎo)襯底具有用以傳導(dǎo)熱的至少一個(gè)層及用以傳導(dǎo)供電電流的一個(gè)層；其中所述陣列由表面發(fā)射半導(dǎo)體激光裝置構(gòu)成；其中所述裝置陣列的光學(xué)光子輸出的軸實(shí)質(zhì)上垂直于所述安裝襯底的大平面；且，其中所述安裝板經(jīng)配置以熱耦合到以下各項(xiàng)中的至少一者水套冷卻系統(tǒng)、熱輻射鰭片布置、狀態(tài)改變冷卻器、經(jīng)壓縮介質(zhì)冷卻器及熱電冷卻器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述陣列為表面發(fā)射裝置的XXY陣列，借此X 及Y兩者均大于一。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述陣列為表面發(fā)射裝置的布置，借此所述裝置中的一些裝置相對(duì)于其相鄰裝置旋轉(zhuǎn)。
13.一種用于輻照目標(biāo)物項(xiàng)的方法，所述方法包括將目標(biāo)物項(xiàng)引入到輻照區(qū)中；使用安裝式表面發(fā)射激光二極管裝置在匹配所述目標(biāo)物項(xiàng)的所期望吸收特性的輻射熱輸出窄波長(zhǎng)帶下發(fā)射輻射，其中所述安裝式表面發(fā)射激光二極管裝置安裝到包括電路板及冷卻襯底中的至少一者的安裝實(shí)體，以便相對(duì)于所述安裝實(shí)體的最大平面大體正交地引導(dǎo)來(lái)自所述裝置的輻照型式的中心軸；及基于所述輻照裝置而輻照所述目標(biāo)物項(xiàng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述目標(biāo)物項(xiàng)為食品物項(xiàng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述目標(biāo)物項(xiàng)為預(yù)成型塑料瓶。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于借助并入例如表面發(fā)射裝置的特殊類別的半導(dǎo)體激光器而用數(shù)字方式將熱注入到寬廣范圍的產(chǎn)品中的方法及系統(tǒng)。此技術(shù)涉及一種實(shí)踐直接注入合意地匹配特定材料在指定波長(zhǎng)下的吸收規(guī)格的窄帶輻射能量的現(xiàn)有技術(shù)的更具體、經(jīng)濟(jì)及有利的方式。
文檔編號(hào)H01S5/00GK102405568SQ201080017254
公開(kāi)日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2010年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月5日
發(fā)明者喬納森·M·卡茨, 唐·W·科克倫, 本杰明·D·約翰遜, 登伍德·F·羅斯, 諾埃爾·E·摩根, 馬克·W·穆?tīng)?申請(qǐng)人:派拉斯科技術(shù)公司