ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ
OPTICAL SYSTEM FOR SEMICONDUCTOR LASERS

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к оптическим системам, коллимирующим излучение лазерного пучка с одновременной анаморфотной коррекцией формы поперечного сечения и углового распределения интенсивности лазерного пучка, а также суммирующим излучение двух или более полупроводниковых (далее - п/п) лазеров на одной оптической оси, и может быть использовано в системах оптической локации, оптической связи, управления и др.
Преимущества п/п лазеров перед другими лазерами - небольшие вес и габариты, значительно более высокий КПД, что не требует громоздких систем охлаждения, простота систем питания и накачки, импульсный и непрерывный режимы работы, возможность прямой модуляции электрическим током с высокой частотой, широкий диапазон рабочих длин волн, механическая надежность и большой срок службы и т.д.[1].
Для п/п лазеров, излучающих большую мощность в непрерывном режиме при комнатной температуре, характерные значения угловой расходимости излучения δ по уровню 0.5 в плоскости, параллельной и перпендикулярной плоскости п/п перехода, равны соответственно:
Характерные размеры тела свечения лазера в соответствующих плоскостях равны:
Различная угловая расходимость излучения и различные размеры тела свечения в плоскости, параллельной и перпендикулярной плоскости п/п перехода, приводят к тому, что в коллимированном объективом пучке отсутствует осевая симметрия пучка как в ближней зоне, т.е. непосредственно за объективом, так и в дальней зоне, т.е. на большом расстоянии от объектива.
∥
⊥
В ближней зоне поперечные размеры пучка пропорциональны угловым расходимостям излучения δ и δ в соответствующих плоскостях, и сечение пучка представляет собой эллипс, вытянутый в плоскости, перпендикулярной плоскости п/п перехода.
∥
В дальней зоне поперечные размеры пучка связаны с размерами тела свечения а в плоскости, параллельной плоскости п/п перехода, и наличием остаточной сферической аберрации и расфокусировки объектива в плоскости, перпендикулярной плоскости п/п перехода.
Излучение п/п лазеров линейно поляризовано преимущественно в плоскости п/п перехода (тип поляризации излучения - ТЕ) и реже поляризовано в плоскости, перпендикулярной п/п переходу (тип поляризации излучения - ТМ).
Известна оптическая система [2], содержащая последовательно расположенные по ходу лучей сферический оптический компонент и цилиндрический оптический компонент, коллимирующие и корректирующие форму поперечного сечения пучка излучения п/п лазера в дальней зоне. Недостатком этой системы является использование цилиндрических линз для анаморфотной коррекции формы пучка, технически сложных в изготовлении, и большой продольный габарит системы.
Известна коллимирующая оптическая система для п/п лазеров [3], содержащая последовательно расположенные по ходу лучей объективы, установленные напротив п/п лазеров, оптические оси которых параллельны друг другу и лежат в одной плоскости, и группу преломляющих призм, общую для всех лазеров. Ребра преломляющих двугранных углов призм ориентированы параллельно плоскостям п/п переходов, при этом для четных и нечетных по ходу лучей призм они расположены по разные стороны относительно оптической оси лазерного пучка. Действие призм сводится к уменьшению поперечного размера каждого пучка в плоскости, перпендикулярной ребрам двугранных углов призм, и суммированию излучения всех пучков в один мощный пучок небольшой угловой расходимости.
Однако увеличивается и размер поперечного сечения пучка, т.к. пучки от каждого лазера не накладываются друг на друга, а располагаются рядом друг с другом, что приводит к увеличению габаритов последующих компонентов оптической системы.
Известна система [4] вывода излучения двух п/п лазеров на единую оптическую ось, выполненная в виде поляризационного кубика. Линейно поляризованное излучение обоих лазеров, плоскости п/п переходов которых взаимно ортогональны, попадая на поляризационое покрытие кубика, выполненное на гипотенузной склеиваемой грани, попеременно выводится на одну оптическую ось с целью формирования оптического поля для телеориентирования управляемых объектов.
Наиболее близким по технической сущности является вариант выполнения коллимирующей оптической системы для п/п лазеров [5, фиг.3], включающей два канала. Каждый канал содержит коллимирующий объектив, выполненный из двух линз. За коллимирующими объективами по ходу лучей расположен преломляющий компонент, состоящий из двух преломляющих призм, установленных последовательно одна за другой.
Как следует из описания и формулы известной оптической системы [5], ребра двугранных углов, образованных преломляющими гранями призм, параллельны плоскости п/п перехода каждого лазера и лежат по разные стороны от оптической оси пучка. Углы между преломляющими гранями обеих призм выполнены в пределах 25-40°. Входные грани каждой призмы установлены перпендикулярно падающему на них пучку.
Каждый коллимирующий объектив имеет остаточную сферическую аберрацию, а его плоскость предмета смещена относительно передней фокальной плоскости. Этим обеспечивается осесимметричность углового распределения интенсивности излучения в дальней зоне.
Преломляющий компонент в известной системе [5] представляет собой телескопическую анаморфотную систему, известную под названием «Бинокль Брюстера» [6], и служит для уменьшения поперечного размера и соответствующего увеличения угловой расходимости коллимированного пучка излучения лазера в плоскости длинной оси эллипса, перпендикулярной ребрам двугранных углов. Видимое увеличение Г определяется из формулы:
где α - угол между преломляющими гранями призм,
n - показатель преломления материала призм для длины волны излучения лазера.
В плоскости короткой оси эллипса, параллельной ребрам двугранных углов, увеличение остается равным единице, так что в ближней зоне после прохождения сквозь преломляющий компонент лазерный пучок становится более осесимметричным.
Предложенный в известной системе [5] способ анаморфотной коррекции поперечного сечения пучка лазера гораздо проще технологически, чем в системе [2] с использованием цилиндрических линз, кроме того, он позволяет существенно сократить габарит системы.
Благодаря тому, что оптические оси коллимирующих объективов параллельны между собой, а лазеры располагаются вплотную друг к другу в плоскости, перпендикулярной ребрам двугранных углов преломляющих призм, в системе [5] происходит суммирование излучения двух или более лазеров.
Однако при этом в два или более раз, по числу п/п лазеров, возрастает и поперечный размер пучка в плоскости, перпендикулярной п/п переходу, что не позволяет увеличить плотность мощности в пучке и влечет увеличение габаритов последующих компонентов оптической системы.
Задачей заявляемого технического решения является создание оптической системы, коллимирующей и одновременно анаморфотно корректирующей форму сечения пучков в ближней и дальней зонах для п/п лазеров с линейно поляризованным излучением, а также суммирующей излучение лазеров на единой оптической оси с целью формирования оптического поля для телеориентирования управляемых объектов, обладающей по сравнению с прототипом большей плотностью мощности и более высокой равномерностью углового распределения интенсивности излучения при минимальных потерях энергии на компонентах оптической системы и минимальных габаритах.
об
Для решения поставленной задачи предложена оптическая система для полупроводниковых (далее - п/п) лазеров, включающая два канала с коллимирующим объективом в каждом из них и преломляющий компонент, состоящий из двух преломляющих призм, установленных последовательно одна за другой, при этом ребра двугранных углов, образованных преломляющими гранями призм, параллельны плоскости полупроводникового перехода и лежат по разные стороны от оптической оси пучка, углы между преломляющими гранями обеих призм выполнены в пределах 25-40°, входные грани каждой призмы перпендикулярны падающему на них пучку, каждый коллимирующий объектив имеет остаточную сферическую аберрацию, а его плоскость предмета смещена относительно передней фокальной плоскости. Оптическая система отличается от прототипа тем, что в нее введены второй преломляющий компонент, выполненный таким же, как и первый, и суммирующий компонент, первый и второй преломляющие компоненты расположены по одному в каждом канале за коллимирующим объективом по ходу лучей, суммирующий компонент установлен за преломляющими компонентами обоих каналов по ходу лучей и имеет поверхность с поляризационным покрытием, полностью пропускающим излучение лазера, поляризованное в плоскости падения на данную поверхность, и полностью отражающим излучение, поляризованное в перпендикулярной плоскости, каналы оптической системы повернуты вокруг своих оптических осей так, что плоскости поляризации излучения п/п лазеров взаимно ортогональны, а взаимное расположение каналов таково, что их оптические оси пересекаются на поверхности суммирующего компонента с поляризационным покрытием и совпадают между собой за суммирующим компонентом по ходу лучей, причем коллимирующие объективы выполнены таким образом, что их фокусные расстояния F, удовлетворяющие условию:
выбраны такими, что обеспечивается равенство:
∥
где а - размер тела свечения в плоскости п/п перехода,
∥
⊥
⊥
Θ и Θ - угловые расходимости коллимированного объективом пучка после преломляющего компонента по ходу лучей в плоскостях, параллельной и перпендикулярной п/п переходу соответственно, угловая расходимость Θ, обусловленная суммарным действием смещения плоскости предмета и остаточной сферической аберрацией коллимирующего объектива, а также действием преломляющего компонента, определяется соотношениями:
фок
сф
где Θ и Θ - угловые расходимости коллимированного лазерного пучка, обусловленные смещением плоскости предмета и остаточной сферической аберрацией коллимирующего объектива соответственно,
Г - видимое увеличение преломляющего компонента в сечении, перпендикулярном ребрам двугранных углов призм,
α - угол между преломляющими гранями призм,
n - показатель преломления материала призм для длины волны излучения лазера,
и по меньшей мере на одной из преломляющих граней каждой призмы выполнено просветляющее покрытие на длину волны излучения лазера.
В предлагаемой оптической системе наличие одинаковых преломляющих компонентов в каждом канале позволяет не только уменьшить размер поперечного сечения и увеличить осесимметричность каждого лазерного пучка в ближней зоне, но и пространственно разделить пучки, чтобы направить оптические оси каналов на суммирующий компонент с целью их наложения и выведения на единую оптическую ось. Этим достигается задача увеличения плотности мощности лазерного излучения.
Суммирование излучения двух п/п лазеров на единой оптической оси, предложенное в оптической системе, дает дополнительный технический результат - существенное повышение суммарной равномерности интенсивности излучения в поперечном сечении пучка, поскольку п/п переходы лазеров в каналах взаимно ортогональны и соответственные поперечные сечения пучков повернуты относительно друг друга вокруг общей оптической оси на 90°.
Изложенным выше выбором фокусного расстояния, остаточной сферической аберрации и смещения плоскости предмета коллимирующих объективов, а также выбором конструктивных параметров преломляющих компонентов, определяющих их видимое увеличение, обеспечивается осевая симметрия лазерного пучка в дальней зоне, необходимая для формирования поля управления.
Небольшие поперечные размеры и минимальная угловая расходимость лазерного пучка позволяют обеспечить минимальные габариты оптической системы. Нанесение просветляющих покрытий сводит к минимуму потери энергии на френелевское отражение в оптической системе.
Суммирующий компонент может быть выполнен в виде плоскопараллельной пластины из прозрачного для излучения лазера материала, расположенной таким образом, что плоскость падения излучения первого канала на пластину совпадает с плоскостью поляризации п/п лазера, а угол падения равен углу Брюстера и определяется из соотношения [7]:
где γ - угол падения излучения на пластину,
при этом поляризационное покрытие выполнено на второй по ходу лучей поверхности плоскопараллельной пластины, второй канал системы расположен по отношению к первому каналу так, что его оптическая ось лежит в плоскости падения излучения первого канала на пластину и пересекается с осью первого канала на поверхности с поляризационным покрытием под углом, определяемым из соотношения:
где ε - угол пересечения оптических осей каналов на поверхности пластины с поляризационным покрытием.
Падение излучения первого канала на пластину под углом Брюстера в плоскости поляризации исключает френелевские потери на первой по ходу лучей поверхности плоскопараллельной пластины без нанесения просветляющего покрытия. Поляризационное покрытие выполнено таким, что полностью пропускает линейно поляризованное в плоскости падения излучение первого канала и полностью отражает линейно поляризованное в перпендикулярной плоскости излучение второго канала, за суммирующим компонентом по ходу лучей оптические оси каналов совпадают и ортогонально поляризованное излучение обоих лазеров суммируется без потерь.
Суммирующий компонент может быть выполнен и в виде двух плоскопараллельных пластин, расположенных на оси каждого канала наклонно и параллельно друг другу, оптические оси каналов до суммирующего компонента по ходу лучей параллельны между собой, углы падения излучения п/п лазеров на пластины равны углу Брюстера, а плоскости падения совпадают между собой, при этом в первом канале плоскопараллельная пластина выполнена из прозрачного для излучения лазера материала и расположена таким образом, что плоскость падения излучения первого канала на пластину совпадает с плоскостью поляризации п/п лазера, причем поляризационное покрытие выполнено на второй по ходу лучей поверхности плоскопараллельной пластины, а во втором канале плоскопараллельная пластина выполнена с наружным зеркальным отражением, при этом второй канал расположен по отношению к первому каналу так, что его оптическая ось пересекается с осью первого канала на поверхности плоскопараллельной пластины с поляризационным покрытием под углом, определяемым из соотношения:
Поляризационное покрытие выполнено таким, что полностью пропускает линейно поляризованное в плоскости падения излучение первого канала и полностью отражает линейно поляризованное в перпендикулярной плоскости излучение второго канала, за суммирующим компонентом по ходу лучей оптические оси каналов совпадают и ортогонально поляризованное излучение обоих лазеров суммируется без потерь.
Выполнение суммирующего компонента в виде двух плоскопараллельных пластин позволяет более компактно и технологично разместить оба канала параллельно друг другу до суммирующего компонента по ходу лучей.
Суммирующий компонент может быть выполнен в виде призмы АР-90° и призмы - ромб БС-0°, склеенных между собой гипотенузными гранями, на одной из которых нанесено поляризационное покрытие.
Оптические оси каналов до суммирующего компонента по ходу лучей параллельны между собой и перпендикулярны входным граням призм. Внутри суммирующего компонента оптические оси обоих каналов пересекаются на поверхности с поляризационным покрытием, а за суммирующим компонентом по ходу лучей они совпадают между собой.
Суммирующий компонент может быть выполнен в виде призмы - (куб), состоящей из двух призм АР-90°, склеенных между собой гипотенузными гранями, на одной из которых нанесено поляризационное покрытие. Оптические оси каналов до суммирующего компонента по ходу лучей перпендикулярны как между собой, так и входным граням призмы - (куб). Внутри суммирующего компонента оптические оси обоих каналов пересекаются на поверхности с поляризационным покрытием, а за суммирующим компонентом по ходу лучей они совпадают между собой.
Все предложенные примеры выполнения суммирующих компонентов системы позволяют вывести на единую оптическую ось без потерь излучение двух п/п лазеров, обеспечив при этом высокую плотность мощности при минимальных потерях энергии излучения на суммирующем компоненте.
В систему могут быть введены одна или несколько длиннофокусных линз, установленных на общей оптической оси каналов за суммирующим компонентом по ходу лучей.
Это обеспечит формирование во входной плоскости системы телеуправления пятна лазерного излучения с необходимыми параметрами.
Одна из призм преломляющего компонента в каждом канале системы может быть выполнена с возможностью плавного перемещения вдоль оптической оси. Величина параллельного смещения оси определяется по формуле:
где ΔY - величина смещения оптической оси в плоскости, перпендикулярной ребрам двугранных углов призм,
ΔZ - величина смещения призмы вдоль оптической оси,
α - угол между преломляющими гранями призм,
β - угол отклонения пучка от нормали к выходной грани (угол преломления).
Поскольку каналы повернуты вокруг своих оптических осей так, что ребра двугранных углов призм в разных каналах взаимно ортогональны, то плавное продольное перемещение одной из призм в каждом канале позволяет совместить оптические оси каналов на поверхности с поляризационным покрытием с высокой точностью по двум координатным осям, обеспечивая простоту и удобство юстировки каналов.
В один из каналов системы может быть введена пара оптических клиньев, расположенных на оптической оси за преломляющим компонентом по ходу лучей, при этом клинья установлены с возможностью поворота каждого клина вокруг оптической оси.
Это позволяет обеспечить с высокой точностью параллельность оптических осей обоих каналов после их совмещения на поверхности с поляризационным покрытием.
В предлагаемой системе углы α между преломляющими гранями призм преломляющего компонента могут быть выполнены такими, что соответствуют условиям:
Это условие целесообразно выполнять в том случае, если в применяемых в системе п/п лазерах тип поляризации излучения - ТМ, то есть плоскость поляризации перпендикулярна п/п переходу. При этом на вторых по ходу лучей преломляющих гранях призм полностью отсутствуют потери на френелевское отражение и просветляющее покрытие необходимо выполнять только на первых по ходу луча преломляющих гранях обеих призм.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет решить задачу создания оптической системы формирования и суммирования на одной оптической оси излучения двух п/п лазеров, обладающей при высокой степени осевой симметрии пучка в ближней и дальней зонах минимальным поперечным размером пучка и минимальной угловой расходимостью, а также большей плотностью мощности и более высокой равномерностью распределения интенсивности излучения в поперечном сечении пучка по сравнению с прототипом при минимальных потерях энергии на компонентах оптической системы и минимальных габаритах.
Сущность предложенного изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 приведена оптическая система для п/п лазеров с суммирующим компонентом в виде одной пластины с поляризационным покрытием.
На фиг.2 приведена оптическая система для п/п лазеров с суммирующим компонентом в виде двух пластин.
На фиг.3 приведена оптическая система для п/п лазеров с суммирующим компонентом в виде склеенных призм АР-90° и БС°.
На фиг.4 приведена оптическая система для п/п лазеров с суммирующим компонентом в виде призмы - куб.
На фиг.5 показана возможность юстировки положения оптической оси канала за счет плавного перемещения преломляющей призмы вдоль оптической оси.
На фиг.6 приведены кривые относительного углового распределения интенсивности лазерного излучения в дальней зоне.
Оптическая система для полупроводниковых (далее - п/п) лазеров (фиг.1-4) включает в себя два одинаковых канала. Каждый канал содержит коллимирующий объектив 1 и преломляющий компонент 2.
За преломляющими компонентами 2 по ходу лучей расположен суммирующий компонент 3, после которого на единой оптической оси обоих каналов расположена длиннофокусная линза 4.
Во втором канале системы между преломляющим и суммирующим компонентами расположена пара оптических клиньев 5.
∥
∥
⊥
⊥
Коллимирующий объектив 1, в передней фокальной плоскости которого находится тело свечения п/п лазера, содержит три линзы, которые могут быть выполнены из кварцевого стекла для повышения термостабильности системы, и служит для коллимирования излучения п/п лазера. Угловая расходимость излучения по уровню спада интенсивности 0.1 и соответствующая числовая апертура объектива 1 в плоскости п/п перехода равны: δ=12°, sin(δ/2)=0.1; в ортогональной плоскости: δ=60°, sin (δ/2)=0.5; и поперечное сечение коллимированного пучка в ближней зоне представляет собой эллипс, вытянутый в плоскости максимальной апертуры, перпендикулярной п/п переходу.
При этом коллимирующий объектив 1 имеет остаточную сферическую аберрацию, а его плоскость предмета смещена относительно передней фокальной плоскости.
Преломляющий компонент 2 состоит из двух преломляющих призм, установленных последовательно одна за другой. Призмы установлены на оптической оси каждого канала (фиг.1- 4) таким образом, что ребра двугранных углов, образованных преломляющими гранями призм, расположены параллельно плоскости п/п перехода лазера и лежат по разные стороны от оптической оси. Углы α между преломляющими гранями обеих призм выполнены в пределах 25-40°, при этом входная грань каждой из призм перпендикулярна падающему на них пучку излучения лазера.
Преломляющий компонент 2 представляет собой телескопическую анаморфотную систему, известную под названием «Бинокль Брюстера» [6], и служит для уменьшения поперечного размера и соответствующего увеличения угловой расходимости коллимированного пучка излучения лазера в плоскости длинной оси эллипса, перпендикулярной ребрам двугранных углов.
Суммирующий компонент 3 (фиг.1-4) установлен за преломляющими компонентами 2 обоих каналов по ходу лучей и имеет поверхность с поляризационным покрытием, полностью пропускающим излучение лазера, поляризованное в плоскости падения на данную поверхность, и полностью отражающим излучение, поляризованное в перпендикулярной плоскости.
Каналы оптической системы повернуты вокруг своих оптических осей так, что плоскости поляризации излучения п/п лазеров взаимно ортогональны, а взаимное расположение каналов таково, что их оптические оси пересекаются на поверхности суммирующего компонента 3 с поляризационным покрытием и совпадают между собой за суммирующим компонентом по ходу лучей.
об
Коллимирующий объектив 1 выполнен таким, что его фокусное расстояние F, определяемое соотношением:
выбрано таким, что обеспечивается равенство:
∥
где а - размер тела свечения в плоскости п/п перехода,
∥
⊥
Θ и Θ - угловые расходимости коллимированного объективом пучка после преломляющего компонента 2 по ходу лучей в плоскостях параллельной и перпендикулярной п/п переходу соответственно.
∥
об
∥
При а=100 мкм и F=8 мм обеспечивается угловая расходимость коллимированного пучка Θ=12.5 мрад.
⊥
Угловая расходимость Θ, обусловленная суммарным действием смещения плоскости предмета и остаточной сферической аберрации коллимирующего объектива 1, а также действием преломляющего компонента 2, определяется соотношением:
фок
сф
где Θ и Θ - угловые расходимости коллимированного лазерного пучка, обусловленные смещением плоскости предмета и остаточной сферической аберрацией коллимирующего объектива соответственно,
Г - видимое увеличение преломляющего компонента 2 в плоскости, перпендикулярной ребрам двугранных углов призм, определяемое по формуле:
где α - угол между преломляющими гранями призм,
n - показатель преломления материала призм для длины волны излучения лазера.
фок
сф
При значении угла α=33° и материале призм К8 значение Г=0.46 крат, при выполнении условия (1)-(3) Θ+Θ=6 мрад это позволяет обеспечить осевую симметричность углового распределения интенсивности излучения каждого лазера в дальней зоне.
Для исключения потерь энергии на френелевское отражение на обеих преломляющих гранях каждой призмы преломляющего компонента 2 выполнено просветляющее покрытие на длину волны излучения лазера.
Пример 1 (фиг.1). Суммирующий компонент 3 выполнен в виде плоскопараллельной пластины из прозрачного для излучения лазера материала и расположен таким образом, что плоскость падения излучения первого канала на пластину совпадает с плоскостью поляризации п/п лазера, а угол падения равен углу Брюстера и определяется из соотношения [7]:
где γ - угол падения излучения на пластину.
Для стекла К8 угол γ=56°. Это позволяет исключить френелевские потери на первой по ходу лучей поверхности плоскопараллельной пластины без нанесения просветляющего покрытия ([7], [8]).
Поляризационное покрытие выполнено на второй по ходу лучей поверхности плоскопараллельной пластины.
Второй канал системы расположен по отношению к первому каналу так, что его оптическая ось лежит в плоскости падения излучения первого канала на пластину и пересекается с осью первого канала на поверхности с поляризационным покрытием под углом, определяемым из соотношения:
где ε - угол пересечения оптических осей каналов на поверхности пластины с поляризационным покрытием.
Пример 2 (фиг.2). Суммирующий компонент 3 выполнен в виде двух плоскопараллельных пластин, расположенных на оси каждого канала наклонно и параллельно друг другу. Оптические оси каналов до суммирующего компонента 3 по ходу лучей параллельны между собой, углы падения излучения п/п лазеров на пластины равны углу Брюстера и определяются по формуле (5), а плоскости падения совпадают между собой.
В первом канале плоскопараллельная пластина выполнена из прозрачного для излучения лазера материала и расположена таким образом, что плоскость падения излучения первого канала на пластину совпадает с плоскостью поляризации п/п лазера.
Поляризационное покрытие выполнено на второй по ходу лучей поверхности плоскопараллельной пластины.
Во втором канале плоскопараллельная пластина выполнена с наружным зеркальным отражением. Второй канал расположен по отношению к первому каналу так, что его оптическая ось пересекается с осью первого канала на поверхности плоскопараллельной пластины с поляризационным покрытием под углом, определяемым из соотношения (6).
Пример 3 (фиг.3). Суммирующий компонент 3 выполнен в виде призмы АР-90° [9] и призмы - ромб БС-0° [9], склеенных между собой гипотенузными гранями. На одной из склеиваемых граней нанесено поляризационное покрытие.
Оптические оси каналов до суммирующего компонента 3 по ходу лучей параллельны между собой и перпендикулярны входным граням призм. Внутри суммирующего компонента 3 оптические оси обоих каналов пересекаются на поверхности с поляризационным покрытием, а за суммирующим компонентом 3 по ходу лучей они совпадают между собой.
Пример 4 (фиг.4). Суммирующий компонент 3 выполнен в виде призмы - куб, состоящей из двух призм АР-90°, склеенных между собой гипотенузными гранями. На одной из склеиваемых граней нанесено поляризационное покрытие. Оптические оси каналов до суммирующего компонента 3 по ходу лучей перпендикулярны как между собой, так и входным граням призмы - куб. Внутри суммирующего компонента 3 оптические оси обоих каналов пересекаются на поверхности с поляризационным покрытием, а за суммирующим компонентом 3 по ходу лучей они совпадают между собой.
Все предложенные на фиг.1-4 примеры выполнения суммирующих компонентов системы позволяют вывести на единую оптическую ось излучение двух п/п лазеров, обеспечив при этом высокую плотность мощности при минимальных потерях энергии излучения на суммирующем компоненте.
В систему может быть введена длиннофокусная линза 4 (фиг.1-4), установленная на общей оптической оси первого и второго каналов после суммирующего компонента 3 по ходу лучей.
л
Фокусное расстояние F линзы 4 выбрано таким, чтобы размер пятна лазерного излучения А•А в плоскости входного окна системы телеуправления удовлетворял условиям:
где А - размер пятна, соответствующий размеру входного окна системы телеуправления,
л
F - фокусное расстояние линзы 4.
∥
⊥
л
При А=2 мм и Θ=Θ=12.5 мрад фокусное расстояние линзы F=160 мм.
В каждом преломляющем компоненте 2 одна из призм может быть выполнена с возможностью плавного перемещения вдоль оптической оси (фиг.5), при котором плавно изменяется осевое расстояние между призмами. Этим обеспечивается плавное параллельное смещение оптической оси канала в плоскости, перпендикулярной ребрам двугранных углов призм, в соответствии с формулой:
где ΔY - величина параллельного смещения оптической оси,
ΔZ - величина смещения призмы вдоль оптической оси,
α - угол между преломляющими гранями призмы,
β - угол отклонения пучка от нормали к выходной грани (угол преломления).
Во втором канале системы может быть установлена пара оптических клиньев 5 (фиг.1-4), расположенных на оптической оси между преломляющим компонентом 2 и суммирующим компонентом 3. Клинья 5 установлены с возможностью поворота каждого клина вокруг оптической оси, что позволяет обеспечить с высокой точностью взаимную параллельность оптических осей обоих каналов.
В преломляющем компоненте 2 углы α между преломляющими гранями призм (фиг.1-5) могут быть выполнены такими, что соответствуют условиям:
Для стекла К8 угол α=33°.
Эти условия целесообразно выполнять в том случае, если в применяемых в системе п/п лазерах тип поляризации излучения - ТМ, то есть плоскость поляризации перпендикулярна п/п переходу. При этом на вторых по ходу лучей преломляющих гранях призм полностью отсутствуют потери на френелевское отражение и просветляющее покрытие необходимо выполнять только на первых по ходу луча преломляющих гранях обеих призм.
Система работает следующим образом (фиг.1-4).
∥
⊥
Линейно поляризованное излучение п/п лазера в каждом из двух каналов системы, проходя сквозь коллимирующий объектив 1, формируется в слабо расходящийся пучок, поперечное сечение которого представляет собой эллипс, вытянутый в плоскости, перпендикулярной п/п переходу. Размеры полуосей эллипса пропорциональны угловым расходимостям излучения лазера δ и δ в соответствующих плоскостях и фокусному расстоянию объектива 1.
Далее излучение попадает на входную грань первой призмы преломляющего компонента 2, перпендикулярную оптической оси канала, и без преломления проходит в стекле призмы, преломляясь на выходной грани и отклоняясь к основанию призмы. Сквозь вторую призму преломляющего компонента 2 излучение проходит аналогично.
Ребра двугранных углов α, образованных преломляющими гранями обеих призм, лежат по разные стороны от оптической оси. Если обе призмы выполнены из одного материала, излучение не меняет своего направления после преломления двумя призмами, а лишь смещается в плоскости, перпендикулярной ребрам двугранных углов и п/п переходу.
При этом поперечное сечение пучка излучения уменьшается, а угловая расходимость соответственно увеличивается в Г раз в плоскости, перпендикулярной ребрам двугранных углов и п/п переходу. Видимое увеличение Г определяется из формулы (4).
В плоскости, параллельной ребрам двугранных углов и п/п переходу, увеличение остается равным единице, так что в ближней зоне после прохождения сквозь преломляющий компонент 2 сечение лазерного пучка уменьшается вдоль длинной оси эллипса и становится более осесимметричным.
Далее излучение обоих каналов попадает на суммирующий компонент 3 (фиг.1-4), который содержит поверхность с поляризационным покрытием. Поскольку каналы системы повернуты вокруг своих оптических осей так, что плоскости поляризации излучения п/п лазеров взаимно ортогональны, то поляризационное покрытие полностью пропускает излучение первого канала, поляризованное в плоскости падения на данную поверхность, и полностью отражает излучение второго канала, поляризованное в перпендикулярной плоскости. При этом оптические оси пучков излучения обоих каналов пересекаются на поверхности с поляризационным покрытием и совпадают между собой за суммирующим компонентом по ходу лучей.
Таким образом, после суммирующего компонента 3 излучение двух п/п лазеров сводится на единую оптическую ось, при этом энергия излучения практически удваивается, т.к. потери на оптических элементах системы пренебрежимо малы благодаря оптимальному их расположению и нанесению качественных просветляющих и поляризационного покрытий.
Так, расположение суммирующих компонентов 3 в примерах 1-2 (фиг.1-2) под углом Брюстера [7] в плоскости поляризации излучения лазера первого канала позволяет полностью исключить потери излучения на френелевское отражение на первой по ходу лучей поверхности без нанесения просветляющего покрытия. На просветленных поверхностях линз объектива 1, призм преломляющего компонента 2, суммирующего компонента 3 и других оптических элементов системы потери на отражение не превышают 0.3%, на поляризационном покрытии они составляют менее 2%. Потери из-за деполяризации излучения на линзах объектива 1 также практически не ощутимы.
Плотность же мощности излучения возрастает более чем в 4 раза, т.к. благодаря действию преломляющих компонентов 2 сечение пучка уменьшается в 2.2 раза.
Благодаря выполнению условий (2) и (3) обеспечивается осевая симметричность углового распределения интенсивности излучения каждого лазера в дальней зоне, при этом угловая расходимость излучения по уровню 0.1 не превышает 12…14 мрад.
Предложенный метод суммирования излучения двух лазеров на единой оптической оси позволяет решить задачу не только четырехкратного увеличения плотности мощности, но и повышения суммарной равномерности интенсивности излучения в поперечном сечении пучка (фиг.6).
Распределение интенсивности излучения у п/п лазеров различно в ортогональных плоскостях.
В плоскости, перпендикулярной п/п переходу, оно представляет собой как в ближней, так и в дальней зоне Гауссову кривую Рр, показанную на верхнем графике фиг.6. Форма гауссоиды скорректирована смещением плоскости предмета и остаточной сферической аберрацией коллимирующего объектива 1 с целью частичного выравнивания интенсивности от оси к краю.
В плоскости, параллельной п/п переходу, распределение интенсивности излучения представляет П-образную кривую Ps, показанную на среднем графике фиг.6. Она имеет 10…12 периодических провалов глубиной 10…15% от среднего значения интенсивности.
Суммирование излучения двух лазеров, п/п переходы которых ортогональны, существенно повышает равномерность интенсивности излучения, поскольку при этом соответственные поперечные сечения пучков повернуты относительно друг друга вокруг общей оптической оси на 90° и Гауссова кривая распределения интенсивности одного сечения складывается с П-образной кривой другого сечения. Суммарная кривая Pp+Ps представлена на нижнем графике фиг.6, спад интенсивности от центра к краю по уровню 0.1 не превышает 25%.
После суммирования на компоненте 3 излучение попадает на длиннофокусную линзу 4 (фиг.1-4), проходит сквозь нее и в ее задней фокальной плоскости, совпадающей с входной плоскостью системы телеуправления, фокусируется в пятно лазерного излучения, соответствующее по размеру входному окну системы телеуправления.
При отсутствии длиннофокусной линзы 4 непрерывное излучение двух п/п лазеров представляет собой в дальней зоне системы слабо расходящийся мощный осесимметричный пучок с высокой степенью равномерности интенсивности в поперечном сечении, пригодный для различных технических применений как с формирующей оптикой, так и без нее.
Как показано на фиг.5, одна из призм преломляющего компонента 2 может быть выполнена с возможностью плавного перемещения вдоль оптической оси. При величине перемещения ΔZ любой из призм пучок лазерного излучения смещается параллельно оптической оси канала на величину ΔY в плоскости, перпендикулярной ребрам двугранных углов призм, в соответствии с формулой (8). Поскольку первый и второй каналы повернуты вокруг своих оптических осей так, что ребра двугранных углов преломляющих компонентов 2 в них взаимно ортогональны, то перемещение одной из призм в каждом канале позволяет совместить оба пучка излучения на поверхности с поляризационным покрытием с высокой точностью по двум координатным осям. Этим обеспечивается простота и удобство юстировки каналов.
Пара оптических клиньев 5 (фиг.1-4) установлена во втором канале системы с возможностью поворота каждого клина вокруг оптической оси. Каждый клин при вращении изменяет направление пучка лазерного излучения во втором канале на небольшой угол [6]. Взаимным поворотом клиньев 5 можно обеспечить с высокой точностью взаимную параллельность пучков излучения обоих каналов.
Если в применяемых в системе п/п лазерах тип поляризации излучения - ТМ, то есть плоскость поляризации перпендикулярна п/п переходу, то целесообразно выполнять в преломляющем компоненте 2 угол α между преломляющими гранями призм (фиг.1-5) таким, чтобы он соответствовал условиям (9) и (10). Тогда излучение лазеров, поляризованное в плоскости падения на призмы, выходит из каждой призмы преломляющего компонента под углом β, равным углу Брюстера [7]. При этом на вторых по ходу лучей преломляющих гранях призм полностью отсутствуют потери излучения на френелевское отражение, а линейность и азимут поляризации лазерного пучка полностью сохраняются [7], благодаря этому на поляризационном покрытии суммирующего компонента 3 излучение двух лазеров выводится на единую оптическую ось без потерь.
Литература
1. Справочник по лазерной технике. / Под ред. Проф. А.П.Напартовича, М.: Энергоиздат, 1991, с.139.
2. Патент EP N 0100242, МПК G01В 13/00, H01S 3/00, публ. 1983 г.
3. Патент RU 2148850, МПК G02В 27/30, 27/09, публ. 2000 г.
4. Патент RU 2228505, МПК F41G 7/26, публ. 2004 г.
5. Патент RU 2101743, МПК G02В 27/30, публ. 1998 г. - прототип.
6. Вычислительная оптика. Справочник. / Под общ. ред. проф. М.М.Русинова. Л.: Машиностроение, 1984 г, с.118, 217.
7. Ю.М Климков «Прикладная лазерная оптика». М.: Машиностроение, 1985 г.
8. Е.И.Бутиков «Оптика». М.: Высшая школа, 1986 г.
9. М.А.Кругер, В.А.Панов и др. «Справочник конструктора оптико-механических приборов». Ленинград, Машиностроение, 1968 г., стр.228, 230.