光注入器元件的製作方法

2023-10-20 19:09:37 1

本發明涉及通用照明領域，尤其涉及用於集約且持續培養光合微生物的照明領域。

背景技術：

現有技術中已知許多照明元件，諸如例如發光管或氖管、螢光管或發光二極體(或led)。

特別地，led具有根據郎伯剖面(profillambertien)，即以波瓣形式的能量發射圖。led沿垂直於其發射面的主方向發射最大能量流，並且該能量流隨著遠離該主方向而減少。

此外，led具有發射錐，該發射錐的立體角通常被限定為90°。因此，led不會在相對於主方向具有較大傾角(尤其超過45°)的方向上發射能量。以這種方式，當led被例如安裝在房間的天花板上來主要垂直發射光時，led不能水平照亮，因而降低了室內的照明質量。這樣的照明質量會給用戶造成舒適度問題，因此需要增加照明系統來糾正該缺陷。

然而，使用多個led(leds)具有相當大的優點，尤其是在使用led的持續時間內、特別地當led不發熱時，多個led提供準恆定的大量光輸出。

與leds不同的是，螢光管或氖管沿所有徑向方向、甚至當螢光管或氖管安裝為天花板燈時沿水平方向產生能量發射。

然而，這種照明元件具有遠低於leds的光輸出，並且它們的光強度隨時間而衰減。此外，這種照明元件經常發生閃爍，並且會特別令用戶感到厭煩。

在用於集約培養光合微生物、尤其是微藻類的特定領域，重要的是，照明元件所發射的能量流儘可能在所述照明元件的所有發射方向上均勻，以提高所述微藻類的產量。

可以理解的是，事實上，一般來說產量直接取決於培養微藻類的光生物反應器的體積中的照明質量。所有生物流體必須用最佳的平均能量正確照亮，該最佳的平均能量取決於微藻類的特性。因此，光源和生物流體之間的界面必須最大可能地使生物流體的有效體積(bain，巴思)最大化。

概括來說，明顯的是，在濃度d大約為每升1克的情況下，光在λ＝0.5cm的深度被吸收。對於1m3、光照表面為1m2(1m2的平面光源)的反應器而言，生物流體的相對體積將僅為1/200m3。理想的反應器會使得照亮體積等於反應器的體積。更一般地，反應器的品質因素可以由以下關係式來限定：q＝sλ/v0，其中，s是在體積為v0的反應器中的照亮面積(恰當功率下)，λ為光的穿透深度。

ve是分布在反應器中的中照明元件的體積，則質量產量m可以由以下關係式來表達：m＝(v0–ve)d(其中，d是每單位體積的微藻類的質量)。

這兩個關係式必須同時最大化。

為此，文獻wo2011/080345提出了例如包括管狀光導的光注入器元件，在該光導的末端放置有led。該led被拋物線狀或圓錐形、或者將led在軸向方向上發射的大角度光線發送回注入器的任何其他形式的反射鏡包圍。

此外，注入器元件的光導在其連接到led的一側的端處被反射鏡覆蓋，該反射鏡的不透明度隨著遠離光源而減小。換言之，該金屬反射鏡全在注入器元件的上端部分，然後變得逐漸半透明，最終消失。事實上，沒有這些反射鏡，給定led的郎伯能量發射剖面，則管沿其側壁發射的能量的量會隨著遠離led而指數遞減，其結果是光能基本上不存在於注入器元件的上端部分中。因此，可以理解的是，使用這種反射鏡是有必要的，以使注入器元件儘可能沿管發射最均勻的能量。

該文獻還提出了在光導與led相對的末端處放置反射鏡，以沿注入器元件的光導發送回直接源自led或在沿相對於發射的主方向具有小角度的方向上反射的光束，從而補償隨著遠離led而增加的能量損耗。該反射鏡例如為圓錐形、半球狀或者拋物線形、或者甚至更複雜的形狀。

目前，這種反射鏡的使用引進了對反射鏡所反射的能量流的顯著吸收，這還導致了有效能量的損耗，導致注入器元件局部發熱，最終導致生物流體(巴思)發熱。

事實上，考慮到反射鏡具有良好的質量並且發射0.8μm波長的光，則5％的光能在所述反射鏡上的發射過程中被吸收了。因此，如果只存在對待重新定向光束的單次反射並且如果這些光束表示例如50％的光通量，則可以吸收2.5％的光能。

目前，尤其是在反射鏡包圍led的情況中，相對於發射的主方向具有最大角度的光束被反射多次。與注入器元件的截面(幾十平方毫米(mm2)的表面)相比，對大發射面積的led而言這種效果更強。因此，甚至在採用良好質量的反射鏡時，仍可以觀察到大於10％的能量吸收。

圓錐形或者更複雜形式的反射鏡的使用限制了光束的反射次數，因而減小了與反射光通量的吸收相關的損耗。

然而，除了這些反射鏡中的一些反射鏡可能在工業上難以製造的事實之外，它們導致的對光通量的吸收是相當大的。

因此，可以理解的是，使用這種反射鏡是特別複雜的並且就能量而言代價昂貴。

因此，需要開發用於光生物反應器的光注入器元件，以減小光能損耗。

技術實現要素：

因此，本發明的目的在於提出一種光注入器元件，其用於減小光源發射的能量和離開注入注入器元件的能量之間的光能損耗。本發明的另一目的在於提出一種注入器元件以在所述注入器元件的所有發射方向上提供均勻的總能量流。為此，本發明根據第一方面提出了一種光注入器元件，其包括沿縱軸延伸的本體和面向本體的一端放置的光源，該光注入器元件的特徵在於，光源包括多個垂直腔面發射的雷射二極體，所述多個二極體設置成形成與本體的縱軸大致垂直的發射面。

根據其它有利而非限制性的特徵：

·本體為圓柱形，特別地為直圓柱形或平行六面體圓柱形；

·每個二極體具有基本發射面，該發射面至少包括所有的基本發射面；

·所述二極體被連接以形成集成電路；

·光源配置成在發射面的外圍區域中發射的光多於在中心區域中發射的光；

·光源配置成僅在外圍區域中發射光；

·發射面的中心區域不包含二極體；

·光注入器元件還包括控制單元，該控制單元配置成將光源控制為使發射面的外圍區域比中心區域發射更多的光；

·注入器元件還包括端反射鏡，該端反射鏡設置在本體與光源相對的一端處，以將光束中被所述端反射鏡反射的部分發送回本體中；

·光源配置成在發射面的外圍區域中發射不均勻的能量密度；

·外圍區域的二極體的基本發射面具有不同的尺寸，以使光源在發射面的外圍區域中發射不均勻的能量密度；

·注入器元件還包括電源，該電源配置成向二極體提供不均勻的電流密度，以使光源在發射面的外圍區域中發射不均勻的能量密度；

·注入器元件包括至少一個光學元件，該光學元件設置在本體內側並且配置成使所述光源發射的光束在本體的中心部分中傳播的部分通過，以及使所述光束在本體的外圍部分中傳播的部分朝本體的外側偏轉，以使光源發射的能量局部分布；

·光學元件具有與本體的縱軸大致同軸的開口，以允許所述光束在本體的中心部分中傳播的部分通過；

·注入器元件包括多個光學元件，該多個光學元件設置在本體內側並且沿所述本體彼此間隔一定的距離延伸，所述光學元件配置成使所述光束在本體的中心部分中傳播的部分通過，該部分光束隨著光學元件遠離光源而越來越少，以使光源發射的能量沿本體分布；

·每個光學元件具有與本體的縱軸大致同軸的開口，以使所述光束在本體的中心部分中傳播的部分通過，所述開口的尺寸隨著所述開口遠離光源而減小；

·光學元件是發散透鏡或稜鏡；

·光學元件配置成使發射面的外圍區域發射的所有光朝本體的外側偏轉。

根據第二方面，本發明涉及一種用於培養尤其是持續培養光合微生物、優選地為微藻類的光生物反應器，所述光生物反應器包括至少一個用來容納微生物的培養基(12)的培養容器，

所述光生物反應器的特徵在於，其包括根據本發明的第一方面的光注入器元件，所述注入元件的本體被放置在培養容器中。

附圖說明

根據以下純粹說明性而非限制性的、並且必須根據附圖來考慮的描述，本發明的其他特徵、目的及優點將呈現出來，在附圖中：

-圖1示出了用於培養尤其是持續培養光合微生物的光生物反應器的垂直截面示意圖，該光生物反應器包括根據本發明的實施例的光注入器元件；

-圖2示出了垂直腔面發射雷射二極體(vcsel)的結構的截面示意圖；

-圖3示出了包括根據圖1中示出的實施例的變型的光注入器元件的光生物反應器的垂直截面示意圖；

-圖4示出了多個vcsel的能量發射剖面的第一示例，在該能量的發射剖面中，所發射的能量密度在由vcsels形成的整個發射面內是不均勻的；

-圖5示出了多個vcsel的能量發射剖面的第二示例，在該能量發射剖面中，所發射的能量密度在由多個vcsel形成的整個發射面內是不均勻的；

-圖6示出了包括根據圖1和圖3中示出的實施例的變型的光注入器元件的光生物反應器的垂直截面示意圖；

-圖7示出了當vcsels具有如圖4中示出的發射剖面時由圖6中示出的光注入器元件在其整個長度內發射的能量的分布；

-圖8示出了當vcsels具有如圖5中示出的發射剖面時由圖6中示出的光注入器元件發射的能量在其整個長度內的分布；

-圖9示出了根據圖1、圖3和圖6中示出的實施例的變型的平面光注入器元件的垂直截面透視圖；

-圖10示出了根據圖1、圖3、圖6和圖9中示出的實施例的變型的平面光注入器元件的垂直截面透視圖。

具體實施方式

圖1示出了根據本發明的實施例的用於培養尤其是持續培養光合微生物、優選地為微藻類的光生物反應器10。

光生物反應器10包括至少一個培養容器11和至少一個光注入器元件20，培養容器11用於容納微生物培養基12。

光注入器元件20包括沿縱軸22延伸的圓柱形本體21。當用在光生物反應器中時，光注入器元件20的縱軸22與垂直方向大體保持一致。

圓柱體指的是通過根據與表面正交的方向平移表面(形成底面)而生成的體積。例如，本體21可以為旋轉圓柱體(其底面是圓盤的圓柱體)或稜柱(其底面是多邊形的圓柱體)的形式。特別地，本體21可以為長方體。

本體21被放置在培養容器11中。本體21優選地為空心的以避免吸收損耗，但是可以理解的是，本體可選地由透明材料製成，如下所述。在本體21為如圖9或圖10所示的長方體的情況中，所述本體21的兩個相對面優選地為彼此靠近放置的平板21a、21b。平板21a、平板21b限定了本體21的長度(高度)和寬度，而平板21a、21b之間的距離限定了本體21的厚度。該平板例如由聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)或玻璃製成。

光注入器元件20的本體21與光源23(當光注入器元件垂直放置時，光源23設置在光注入器元件20的頂端處)耦接，以引導光源23發射的光通量並經由本體的側壁24將其傳遞給培養基12。例如，如下文解釋的那樣，該耦接經由使光束偏轉的一個發散或會聚輸入透鏡30地來實現。

在空心元件20的情況下，本體21的限定了側壁24(針對平行六面體本體為平板21a、平板21b)的中心腔和包層之間的折射率階躍使得能夠對光的橫向傳播進行控制。在實心元件的情況下，需要存在具有雙包層(以使得具有兩個不同的折射率)且可選的具有粗糙度的結構。

在本體21為如圖9或圖10所示的長方體的情況中，光橫向通過平板21a、21b。優選地且出於管理光源23的熱損耗的原因，光源23以面向所述本體21的近端25的方式放置在培養容器11外側，尤其與由冷卻劑冷卻的散熱器(優選對所有注入器元件共用的散熱器)接觸。

可以理解的是，無論是在可選的透鏡30、側壁24或任何其他光學元件35i(見下文)的水平處，該注入器元件散光片20僅通過折射現象將光能從光源23傳送到側壁，即，使光束偏轉到兩個介質之間的界面上(即，折射率階躍)。

因而最好避免所謂的擴散現象(由非均勻介質中的粒子引起的光束的偏轉)(在給定的介質下透明度最大是有利的)。這在介質中幾乎不損失能量，並且將光源23提供的能量恢復為100％。事實上，擴散介質傾向於在輻射的作用下發熱。

光源23包括包含多個垂直腔面發射雷射二極體(稱為vcsel，verticalcavitysurfaceemissionlaser)，該多個垂直腔面發射雷射二極體設置成形成與本體21的縱軸22大致垂直的發射面26並且沿與本體21的縱軸22大致平行的發射方向27發射光束。多個vcsel(vcsels)通過至少一個電源28來饋送電流。單個或多個電源28例如由控制單元29控制。發射面26優選地以本體21的入口(端25)為中心。發射面26優選地具有適配於本體21的橫截面的形式。因此，在本體21具有圓形橫截面的情況中，發射面26將優選地為圓盤，而如圖9或圖10所示，在本體21為長方體的情況中，發射面26優選地是帶狀的。

vcsels是有直接帶隙半導體的固體雷射器，與僅生成非相干光的leds相反，該固體雷射器用於產生相干光的發射。

如圖2中所示，vcsel包括根據光束的發射方向101的疊層結構100。結構100尤其包括：

-所謂的下金屬接觸層102，

-半導體襯底103，具有n型摻雜，

-所謂的布拉格反射鏡104，具有n型摻雜，

-至少一個量子阱105，形成諧振垂直腔，

-所謂的上布拉格反射鏡106，具有p型摻雜，

-所謂的上金屬接觸層107，具有開口108，在開口108中沉積有透明且導電的金屬氧化物層，並且通過開口108發射光束109。

因此，與傳統的經由剖面(tranche)即經由與層的堆疊方向大致平行的表面(腔的側面)發射光束的固體雷射器相反，vcsel經由與層102至層107的堆疊方向大致垂直的基本發射面110發射光束。

vcsel的基本發射面例如大約為一百平方微米(μm2)，並且所提供的光功率在對幾百μm2的發射面可見的光場中超過數十毫瓦。

vcsels具有沿垂直於發射方向101(技術上稱為「平面」)延伸的層的結構100允許將大量的(幾百個)vcsel在毫米表面上連接起來以形成包括n個vcsel的c-vcsel「集成雷射電路」。如果vcsel之間不存在耦接，尤其是經由半導體層103至106的耦接，則c-vcsel發射的光能量為每個基本vcsel發射的光能量的總和。與leds相反，c-vcsel產生大功率且幾乎為零發散的光發射。c-vcsel例如每平方毫米(mm2)產生超過幾十瓦特的功率。

將光源23的多個vcsel組織成c-vcsel以使vcsels的所有基本發射面110形成發射面26。

可以理解的是，c-vcsel的使用允許在本體21的整個長度上傳輸光能，以及在沒有反射鏡的情況下傳輸光能，這在現有技術中對於校正led的郎伯能量剖面是必要的，因此減少了與這些反射鏡的使用相關的能量損失，降低了注入器元件20的製造成本。

正如下文將示出的，c-vcsel可以有利地配置成在其發射面26上呈現出可變的能量密度。技術人員已知用於實現這種結果的多種技術，並且本申請的光注入器元件不限於上述技術中的任一個。

特別地，vcsel的複雜結構(布拉格反射鏡、有源層等等)通過在c-vcsel的至少整個表面的導電襯底103上外延(例如通過分子射流外延)而製成。為基本vcsels(即，每個vcsel的基本發射面)劃定界限通過光刻來完成。能夠通過「光學掩模」來限定每個vcsel的基本發射面110的尺寸及它們在c-vcsel給定區域的表面密度(換言之改變兩個相鄰vcsel之間的間距)。本領域的技術人員公知的是，連接技術通過適配於電氣控制需要的掩模形成的沉積。能夠在發射面26中設置「孔洞」，即沒有vcsel的區域。為了清楚地說明，任何具有零光發射但被具有非零光發射的區域包圍的區域將被認為是發射面26的形成部分。

可替換地，在c-vcsel中，每個vcsel可單獨連接到電源28。在這種情況中，控制單元29可以配置成單獨地控制電源28以根據vcsel傳遞不同的電流密度還可以對vcsels的電壓進行控制。c-vcsel還可以由區域界定，並且每個區域的vcsels可以連接在一起並連接到每個區域專用的電源28。在後兩種情況中，控制單元29例如為矩陣控制電路。相反地，vcsels可以連接在一起並且連接到單個電源28。在這種情況中，電源28由控制單元29控制以傳遞均勻的電流密度(換言之，如果vcsels在每個表面單元具有相同的阻抗，則所有vcsels上的電壓是相同的)。

在圖1中示出的示例中，光源23在本體21的上遊被連接到發散或會聚輸入透鏡30，該輸入透鏡30配置成使vcsels發射的光束朝本體21的側壁24偏轉。輸入透鏡30對光束打到本體21的側壁24上而偏轉的衝角進行調整以控制本體21發射的能量。優選地該衝角被選擇為使得注入器元件發射的能量介於預定的能量閾值和微生物所謂的飽和能量之間。該能量閾值與開始光合作用所必需的最小能量對應。接下來該衝角確定了輸入透鏡30的焦距f。可以理解的是，c-vcsel發射與本體21的縱軸22平行的、大體上為圓柱形的光束，因此，光束的衝角可以更易於被輸入透鏡30控制。此外，這顯示了光束通過輸入透鏡30在本體21的側壁24的整個長度上偏轉時生成的光斑，因而將所發射的能量分布在本體21的整個長度上。

在本體21為如圖9所示的長方體的情況下，輸入透鏡30被寬度和長度分別與本體21的厚度和寬度大致相等的發散稜鏡301替代。稜鏡30'的面可以是非平面以更好地使能量沿本體21的平板21a、21b分布。

在圖1和圖3所示的示例中，c-vcsel的發射面26具有與本體21的橫截面大致相同的尺寸。如果c-vcsel的發射面26的尺寸小於本體21的橫截面，則注入器元件20還可以設置有光學系統，該光學系統將c-vcsel、優選地為光導的截面的放大圖像投影到位於本體21的輸入處的發散透鏡(或稜鏡)30上。

在圖1示出的示例中，注入器元件20還包括反射鏡31，該反射鏡31設置在本體21的遠端，即與光源23相對的末端處。端反射鏡31配置成將光束髮送回本體21中，以補償當其遠離光源23時從本體21提取的能量損失。端反射鏡31使本體21的側壁24所發射的能量流更均勻。端反射鏡31具有例如平面、半球形、圓錐形或拋物面形反射表面。反射鏡31的反射表面的剖面優選地被確定成使端反射鏡31反射的光能隨著更接近光源23而減小，以最大程度地減少返回到光源23的能量。可以理解的是，事實上，為了限制注入器元件20中的能量損失，將光束中直接到達端反射鏡31(即，沒有被本體21的側壁24反射)的部分和由本體21的側壁24反射到端反射鏡31的部分發送回本體21是有利的。還可以理解的是，始終為了限制注入器元件20中的能量損失，減少光束返回到光源23的部分、尤其是用於防止光源23受熱，以及將發射的一部分能量不傳遞到培養基12是有利的。優選地，反射鏡31具有與本體21的橫截面相同的尺寸。

如圖3所示，注入器元件20還可以裝配有發散或會聚端透鏡32，該端透鏡32面向端反射鏡31設置在本體21內側，以增大光束由端反射鏡31反射的部分衝擊本體21的側壁24上的衝角。因此，更快速地消耗了端反射鏡31所反射的能量，並且限制了該能量不會回到光源23的風險。

根據本發明的優選實施例，光源23配置成在發射面26的外圍區域33中發射多於在中心區域34中發射的光。發射面26的中心區域34優選地不發射光。因此，光束直接反射(即，沒有被本體21的側壁24反射)到端反射鏡31上的部分被限制或消除，因而減少了端反射鏡31直接向光源23反射的能量。這還限制了端反射鏡31反射的能量的量，因而減少了與該反射相關的能量損失。

在圖4中示出了在發射面26中具有該能量密度的光源23的發射剖面的示例。在該示例中，中心區域34中的能量密度為零而外圍區域中的能量密度是均勻的。在該示例中，本體21為旋轉圓柱體，而發射剖面關於本體21的縱軸22是旋轉對稱的。發射面26的中心區域34具有圓盤的形式，而發射面26的外圍區域具有圓環的形式。

根據該優選實施例，發射面26的中心區域34例如不包括vcsel。通過光刻處理的襯底還可以配置成使中心區域24的vcsels(vcsels的基本發射面)失活，以僅使外圍區域33的vcsels發射光。

根據變型，控制單元29調節光源23以使發射面26的外圍區域33比中心區域34發射更多的光。為此，控制單元22例如命令連接到中心區域34的vcsels的單個或多個電源28來傳遞較低或甚至為零的電流密度，並命令連接到外圍區域33的vcsels的單個或多個電源28來傳遞更強的電流密度。優選地熄滅中心區域34的vcsel。vcsel也可以是電壓控制的。

有利地，光源23還配置成在發射面26的外圍區域33中發射不均勻的能量密度。為此，通過光刻處理的襯底(在沉積了限定圖2示出的結構100的層後)可以配置成對發射面26的外圍區域33的vcsels的基本發射面進行調製以(在c-vcsel中)獲得不均勻的能量密度。作為變型，控制單元29命令電源28向發射面26的外圍區域33傳遞不均勻的電流密度。

在圖5中示出了在發射面26的外圍區域33中具有這種能量密度的c-vcsel的發射剖面的示例。在該示例中，本體21為旋轉圓柱體，而發射剖面關於本體21的縱軸22是旋轉對稱的。圖5示出了光源23配置成發射從發射面26的中心區域34的邊緣向發射面26的邊緣遞減的能量。更精確地，在從中心區域34的邊緣延伸的第一區域上，能量隨著遠離中心區域34而從高能級向平均高能級遞減，然後在從第一區域的邊緣向發射面26的邊緣延伸的第二區域上，能量再一次隨著遠離中心區域34而從平均低能級向低能級遞減。因此，在第一區域和第二區域之間的界面上，能級是不連續的。

在圖6示出的示例中，注入器元件20還包括多個光學元件35i，該多個光學元件沿所述本體21彼此相距一定距離設置在本體21內側，光學元件35i還配置成使光束在中心部分36i中傳播的部分通過，該部分光束隨著光學元件35i遠離光源23而越來越少。因此，每當光束通過光學元件35i時，光學元件35i削減一些光束能量來使其向本體21的外側偏轉。光學元件35i沿本體21分布光束的能量。可以理解的是，第一光學元件351可以起到輸入透鏡30的作用，並且替換該輸入透鏡30。

可以理解的是，能夠提取光源23發射的能量以使該能量沿本體21均勻地分布，從而使沿所述本體21的平均能量足以允許微生物的生長。沿本體21發射的能量尤其介於預定能量閾值和微生物的所謂的飽和能量之間。該能量閾值與開始光合作用所必需的最小能量對應。

光學元件35i優選地具有相同的形式並且具有與本體21的橫截面大體相同的尺寸，光學元件35i的邊緣抵靠本體21的側壁的內表面放置。因此，在本體21具有圓形橫截面的情況中，光學元件35i具有與本體21的直徑大致相等的直徑，而在本體21為長方體的情況下，光學元件35i具有分別與本體21的寬度和厚度大致相等的長度和寬度。

例如，光學元件35i是「開孔的」，它們具有與本體21的縱軸22大致同軸的開口38i，以僅允許光束在本體21的中心部分36i中傳播的部分通過而不使其偏轉。開口38i還隨著光學元件35i遠離光源而越來越小。

優選地，光學元件35i的開口38i具有與本體21的橫截面相同的形式。因此，當本體21為管狀時，光學元件35i的開口38i優選地為圓形，開口38i的直徑di隨著光學元件35i遠離光源23而越來越小。光學元件35i例如為發散透鏡或偏轉稜鏡、尤其為環形稜鏡。透鏡35i可以具有相同或不同的焦距。類似地，稜鏡35i可以具有相同或不同的幾何形狀。

當本體21為管狀時，每個透鏡35i例如通過由塑料製成的彈性環(未示出)卡抵在本體21的內壁上而定位在所述本體中。

在圖6示出的示例中，注入器元件20為管狀並且光學元件35i為具有直徑為di的開口38i的發散透鏡，開口38i的直徑di隨著透鏡35i遠離光源23而越來越小。在該示例中，當光源23沿發射方向發射光束時，透鏡35i截獲一部分光束並使其向本體21的外側偏轉。因此，透鏡35i輸出本體在長度li上的平均能量，該長度li取決於透鏡35i的焦距fi及其直徑di。透鏡35i截獲的一部分光束決定在長度li上注入的能量。在長度li的末端處，新的一部分光束(在透鏡35i+1的開口38i+1的直徑di+1小於透鏡35i的開口的直徑的情況上)被透鏡35i+1截獲，並且在長度li+1上向本體21的外側偏轉，該長度li+1取決於透鏡35i+1的焦距fi+1及其直徑di+1。透鏡35i+1接收到的功率與開口38i和開口38i+1之間的表面積之差成正比。可以理解的是，執行n次該操作(即，通過在本體中定位n個透鏡35i)使得能夠逐漸採樣光束的能量以使其均勻地分布在本體21的整個長度中。

長度li與透鏡35i和光束通過透鏡35i的開口38i的邊緣偏轉到本體21的側壁24上的部分的衝擊點之間的距離對應。可以理解的是，為了使能量均勻地分布在本體21的整個長度上，透鏡35i+1優選地放置在距離透鏡35i與長度li對應的距離處。

還可以理解的是，為了在本體21的整個長度上實現能量的均勻分布，根據透鏡35i的數量n來優化每個透鏡35i的參數。這些參數如下：直徑di、長度li(或兩個連續的透鏡35i和透鏡35i+1之間的距離)、以及每個透鏡35i的焦距fi。還清楚的是，針對光合微生物的生長，對透鏡35i的參數的優化還可以將以下事實考慮在內：本體21所發射的平均能量必須介於能量閾值和微生物所謂的飽和能量之間。

注入器元件20逐漸削減在光束中傳遞的能量並且使其以受控的方式向本體21的外側偏轉。

有利地，光學元件35i配置成使由發射面26的外圍區域33發射的所有光向本體21的外側偏轉。為此，發射面26的中心區域34的尺寸大於或等於距離光源23最遠的光學元件35i的開口38i的尺寸。可以理解的是，事實上，在這種情況中，整個光束被光學元件35i偏轉並且光束在沒有前述偏轉的情況下不會存在被直接反射到端反射鏡31上的部分。這防止了端反射鏡31將光束直接反射到光源23上而導致能量損失並且使所述光源23過熱。

作為變型，在本體21為如圖10所示的長方體的特定情況中，開口38i可以由面向彼此且彼此間隔一定距離放置的幾對偏轉稜鏡35i形成。一對稜鏡中的每個稜鏡35i具有第一邊緣和第二邊緣，第一邊緣抵靠與本體21相對的平板21a、平板21b的內表面放置，第二邊緣面向該一對稜鏡中的另一稜鏡35i的第二邊緣並且與該對稜鏡中的另一稜鏡35i的第二邊緣間隔距離di延伸，每對稜鏡中的稜鏡35i之間的距離di形成開口38i。距離di隨著光學元件35i遠離光源23而越來越小。

圖7和圖8示出了當c-vcse分別遵循圖5和圖6所示的發射剖面時，具有包括光學元件35i的圓柱狀本體21的注入器元件20發射的能量的分布。清楚的是，當c-vcsels具有圖5中示出的發射剖面時，注入器元件20沿本體21發射整體上均勻的能級，並且圖6中示出的發射剖面還改進了注入器元件20發射的能量沿本體21的分布的均勻性。採用諸如圖10中示出的注入器元件20可以獲得類似的結果，該注入器元件20具有在平板21a、21b的整個發射面上整體上均勻的發射剖面。

使用光學元件35i與c-vcsel的組合作為光源23創建有相當大長度(大於一米)的注入器元件20(如圖1和圖3中示出的圓柱形本體21)，或者具有大表面的注入器元件20(如圖10中示出的長方體的本體21)，並且該注入器元件具有特別高的、尤其大於90％的輸出(輸送到培養基的功率/由c-vcsel發射的功率)。

控制單元29還可以配置成控制光源23以使其發射脈衝光。特別地，採用vcsel，可以在高頻、尤其是超出ghz的範圍對光進行調製。相反地，led可能超過100mhz。

注入器元件20還可以附接到平面熱管上，該平面熱管配置成恢復來自光源23的熱損失。平面熱管被放置在培養容器11外側與光源23接觸。以這種方式，可以更容易地使培養容器11的溫度保持在用於光合微生物的生長的特設溫度處。