КОЛЛИМИРУЮЩАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ

Полезная модель относится к техническим средствам локации, связи, целеуказания, измерения расстояния и другим устройствам, в которых используются полупроводниковые лазеры.
Известна формирующая оптическая система лазерного полупроводникового диода, состоящая из двух линз и двух оптических призм, рассмотренная в книге: Бокшанский В.К., Бондаренко Д.А., Вязовых М.В.и др. Лазерные приборы и методы измерения дальности. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2012 (рисунок 1.12 на странице 34). Одним из основных параметров лазерного дальномера, в котором применяется такая система, является угловое разрешение, определяемое расходимостью пучка излучения передающего канала дальномера. Предложены различные коллимирующие оптические системы, в которых уменьшается расходимость, т.е. повышается угловое разрешение дальномера и обеспечивается измерение расстояния до малоразмерного объекта.
Наиболее близким аналогом к заявляемому решению является коллимирующая оптическая система для полупроводникового лазера по патенту РФ на изобретение №2481605, МПК G02B 27/30, G02B 27/09, дата публикации 10.05.2013. Оптическая система содержит последовательно расположенные по ходу лучей полупроводникового лазера объектив и две прямые призмы, ребра преломляющих двугранных углов призм ориентированы перпендикулярно плоскости полупроводникового перехода, преломляющие углы призм одинаковы и выбираются в пределах 20…42°, углы падения пучков излучения на призмы (α) и преломляющие углы призм (β) выбираются из соотношения
,
где n - показатель преломления материала призмы.
Фокусное расстояние объектива (F) выбирается из соотношения
,
где φ - требуемая расходимость излучения на выходе оптической системы;
a
II
- размер излучающей области лазера в плоскости, параллельной плоскости полупроводникового перехода.
2
Расчеты, выполненные на странице 6 описания указанного выше патента, показывают, что, при использовании полупроводникового лазера типа SPL90-3 с размерами излучающей области (200×10) мкм и расходимостью излучения (25×11)°, для обеспечения значения параметра φ=0,0012 (4′) фокусное расстояние объектива должно составлять 35 мм, при этом высота призм 20 мм.
При некоторых применениях оптической системы, коллимирующей излучение полупроводникового лазера, например в аппаратуре, размещаемой на летательных аппаратах, важным параметром является масса устройства. Для рассмотренной выше системы масса двух призм превышает 200 грамм, что может рассматриваться как недостаток устройства.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение эксплуатационных характеристик устройства, в котором используется оптическая система, коллимирующая излучение полупроводниковых лазеров.
Технический результат заключается в снижении массы коллимирующей оптической системы при сохранении выходных оптических характеристик, а также в возможности повышения мощности оптического излучения на выходе системы, т.е. к увеличению дальности действия устройства, например лазерного дальномера.
Указанный технический результат достигается с помощью коллимирующей оптической системы для полупроводниковых лазеров, состоящей из оптического канала, содержащего полупроводниковый лазер и последовательно расположенные по ходу лучей объектив и две прямые призмы, ребра преломляющих двугранных углов призм ориентированы перпендикулярно плоскости полупроводникового перехода, преломляющие углы призм одинаковы и выбраны в пределах 20…42°, углы падения пучков излучения на призмы (α) и преломляющие углы призм (β) выбраны из соотношения
,
где: n - показатель преломления материала призмы,
в отличие от известного, в оптический канал коллимирующей оптической системы по ходу лучей последовательно с объективом установлены k прямых призм с преломляющим углом каждой из них в пределах 20…42°, ребра преломляющих двугранных углов призм ориентированы перпендикулярно плоскости полупроводникового перехода, причем угол падения пучка излучения на каждую призму (α) и преломляющий угол (β) каждой призмы выбраны из приведенного выше соотношения, а фокусное расстояние объектива (F) выбрано из соотношения
где φ - требуемая расходимость излучения;
a
II
- размер излучающей области полупроводникового лазера в плоскости, параллельной плоскости полупроводникового перехода;
k - количество прямых призм (k≥3),
кроме того, в коллимирующую оптическую систему добавлены оптические каналы, причем оптические оси оптических каналов параллельны, а расстояние между оптическими осями оптических каналов выбрано из соотношения
⊥
где θ - расходимость излучения лазера в плоскости, перпендикулярной полупроводниковому переходу.
На фиг. изображена функциональная схема устройства с четырьмя оптическими каналами, каждый из которых содержит один полупроводниковый лазер и несколько призм, например три (k=3).
Рассмотрим один оптический канал коллимирующей оптической системы изображенный на фиг., который содержит полупроводниковый лазер 1, объектив 2, третью призму 3, первую призму 4 и вторую призму 5. Излучающая область полупроводникового лазера 1 расположена в фокальной плоскости объектива 2. На оптической оси объектива 2 установлена третья призма 3 и последовательно с ней первая призма 4 и вторая призма 5. Все призмы - прямые, их перпендикулярные сечения параллельны между собой и параллельны наибольшей стороне полупроводникового перехода лазера 1. Ребра преломляющих двугранных углов призм ориентированы перпендикулярно наибольшей стороне полупроводникового перехода полупроводникового лазера 1. Углы всех трех призм выполнены одинаковыми по величине в пределах 20…42°. Призмы изготовлены из одного и того же оптического материала, например из оптического стекла, прозрачного для длины волны излучения полупроводникового лазера 1. Оси пучков оптического излучения всех оптических каналов после объективов (оптические оси оптических каналов) параллельны.
Все элементы рассматриваемого устройства являются известными.
3
Входные грани призм 3, 4, 5 установлены по отношению к падающему на них пучку излучения таким образом, что на выходе каждой призмы ось пучка перпендикулярна выходной грани призмы. При такой геометрии угловое увеличение каждой призмы будет меньше единицы. Суммарное угловое увеличение трех призм составит Г, где Г - угловое увеличение одной призмы.
⊥
Оценить габариты рассматриваемого устройства для одного оптического канала целесообразно при тех же исходных данных, которые использованы при анализе прототипа. Расчет по формуле (1) дает значение фокусного расстояния объектива 2 F≈15 мм. Поскольку у полупроводникового лазера типа SPL90-3 θ=25°, то параметр h при расчете по формуле (2) составит порядка 7 мм, т.е. линейный размер пучка лазерного излучения на входе третьей призмы 3 для одного оптического канала равен h. Поскольку в виде А на фиг. призмы представляют плоскопараллельные пластинки, то расходимость пучка излучения в после прохождения через первую 4 и вторую 5 призмы существенно не увеличится. С учетом технологических допусков можно принять этот параметр равным 8 мм, и в варианте устройства с одним каналом он будет равен высоте призм. В прототипе высота призм составляла 20 мм, т.е. уменьшение масс первой и второй призм ~2,5 раза. Кроме того, уменьшится масса объектива. Масса третьей призмы 3, по сравнению с массой призм 4 и 5 незначительна. Таким образом, масса коллимирующей оптической системы каждого оптического канала существенно снижается по сравнению с прототипом.
Выходные оптические характеристики рассматриваемой коллимирующей оптической системы практически сохранятся: расходимость излучения на выходе каждого оптического канала будет той же, что у прототипа, а светопропускание снизится незначительно, поскольку излучение полупроводникового лазера 1 линейно поляризовано в плоскости полупроводникового перехода и падает на входную грань третьей призмы 3 под углом, близким к углу Брюстера, а выходная грань этой призмы может быть просветлена для длины волны излучения полупроводникового лазера.
Каждый оптический канал коллимирующей оптической системы работает следующим образом. Расходящийся пучок излучения полупроводникового лазера 1 преобразуется объективом 2 в пучок с расходимостью ~ (45×2)′; далее, после прохождения через призмы 3, 4 и 5, по одной координате расходимость уменьшится до 4′, а по второй координате не изменится и составит 2′.
Если применить коллимирующую оптическую систему с четырьмя полупроводниковыми лазерами, показанную на фиг., в передающем канале лазерного дальномера, дальность действия которого пропорциональна квадратному корню из мощности оптического излучения передающего канала, то дальность действия дальномера увеличится в два раза.
Таким образом, в результате предложенного решения обеспечивается повышение эксплуатационных характеристик устройства, а именно снижение массы коллимирующей оптической системы, при сохранении выходных оптических характеристик, и возможность повышения мощности оптического излучения на выходе передающего канала, что приводит к увеличению дальности действия устройства.