СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ ЛИНЕЙКИ ЛАЗЕРНЫХ ДИОДОВ
METHOD OF SYNCHRONISING LINE OF LASER DIODES

Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к способу синхронизации линейки лазерных диодов.
Основной принцип синхронизации заключается в обеспечении поперечной пространственной когерентности излучения обратной связи для всех излучателей линейки лазерных диодов.
Известен способ синхронизации линейки лазерных диодов с использованием резонансного решеточного волноводного зеркала. (RU, 2008140133 А, 20.04.2010). В известном способе диаграмма направленности выходного излучения содержит два лепестка, для формирования однолепестковой диаграммы направленности выходного излучения синхронизированной линейки лазерных диодов используется дополнительная корректирующая фазовая дифракционная решетка.
Заявляемый способ позволяет исключить этот дополнительный элемент и обеспечить выходное излучение в виде одного пучка дифракционного качества.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в синхронизации всех излучателей линейки лазерных диодов, причем соседние диоды излучают в противофазе, и формировании выходного излучения в виде одного +1 или -1 порядка дифракции от линейки лазерных диодов с расходимостью определяемой ее полной апертурой.
Указанный технический результат достигается тем, что способ синхронизации линейки лазерных диодов, при котором излучение соседних лазерных диодов находится в противофазе, заключается в том, что на линейку лазерных диодов с коллимирующей цилиндрической линзой помещают резонансное решеточное волноводное зеркало под углом к выходному торцу линейки лазерных диодов с дифракционной решеткой на одной или нескольких границах раздела сред резонансного решеточного волноводного зеркала, выполненной в виде гофра, где угол наклона, параметры резонансного решеточного волноводного зеркала и дифракционной решетки подбирают таким образом, чтобы в резонансном решеточном волноводном зеркале при падении на него +1 или -1 порядка дифракции излучения линейки лазерных диодов возбуждались две моды, распространяющиеся в противоположных направлениях, при взаимодействии которых с дифракционной решеткой резонансного решеточного волноводного зеркала они излучаются в прилегающие к упомянутому резонансному решеточному волноводному зеркалу среды, при этом резонансное решеточное волноводное зеркало обладает просветляющими свойствами, исключающими паразитную генерацию на френелевском отражении и обеспечивающую выход излучения в виде -1 или +1 порядка дифракции излучения линейки лазерных диодов.
Реализация способа синхронизации линейки лазерных диодов заключается в следующем.
Непосредственно за коллимирующей цилиндрической линзой (2), установленной перед просветленным выходным торцом линейки лазерных диодов (1), помещают резонансное решеточное волноводное зеркало (3) (далее - резонансное зеркало), выполненное в виде гофрированного планарного волновода, обладающего резонансным отражением на длине волны генерации линейки лазерных диодов (1) при падении света перпендикулярно его поверхности (см. Фиг.1). Излучение синхронизированной линейки лазерных диодов (1), в которой соседние диоды излучают в противофазе, аналогично излучению от соответствующей дифракционной решетки. Резонансное зеркало (3) устанавливают под углом к выходному торцу линейки лазерных диодов (1), обеспечивающим резонансное отражение только одного +1 или -1 порядка дифракции. При этом другой -1 или +1 порядок дифракции, для которого резонансное зеркало (3) прозрачно, формирует выходной пучок линейки лазерных диодов (1) (см. Фиг.2). Этот пучок имеет дифракционную расходимость излучения, определяемую полной апертурой линейки лазерных диодов (1), и может рассматриваться как фундаментальная мода выходного излучения.
Резонансное зеркало (3) представляет собой диэлектрическое покрытие в виде чередующихся слоев высокого и низкого показателей преломления, нанесенных на гофрированную поверхность отдельной подложки. Диэлектрическое покрытие и параметры гофра рассчитаны таким образом, чтобы с одной стороны ширина углового резонанса отражения было много меньше угловой расходимости излучения отдельного диода в плоскости p-n перехода, а с другой стороны превышала дифракционную расходимость излучения, определяемую полной апертурой линейки лазерных диодов (1). Кроме того, покрытие должно обладать просветляющим свойством для излучения с углами падения или длиной волны вне пределов резонанса.
rad
Принцип работы резонансного зеркала (3) заключается в следующем. Параметры волновода и дифракционной решетки (период решетки Λ) подбираются таким образом, чтобы при падении плоской волны с длиной волны λ нормально к поверхности волновода в нем возбуждались две волноводные моды, распространяющиеся в противоположных направлениях. При распространении в волноводе эти моды взаимодействуют с гофрированными границами раздела сред и излучаются в прилегающие к волноводу среды. Дистанция взаимодействия мод с решеткой Lопределяется ее силой (глубиной гофра σ) и в практических устройствах может достигать нескольких миллиметров. Это расстояние соответствует минимальному размеру поперечной когерентности пучка света отраженного резонансным зеркалом (3) (см., например, «Отражение ограниченного пучка света на волноводной решетке ограниченных размеров». Квантовая электроника, 1997, т.24, с.457, Д6).
На Фиг.3 в качестве примера приведена резонансная зависимость коэффициента отражения плоской волны с длиной волны λ=930 нм от угла падения (вектор электрического поля волны лежит в плоскости падения - ТМ поляризация). В этом примере резонансное зеркало (3) представляет собой просветляющее двухслойное диэлектрическое покрытие в виде пленки пентаокиси тантала толщиной 178,2 нм (показатель преломления 2,1931) и пленки двуокиси кремния толщиной 102,9 нм (показатель преломления 1,4827), последовательно нанесенных на гофрированную поверхность подложки из плавленого кварца с периодом гофра Λ=580 нм и его глубиной σ=48 нм, соответственно.
Дополнительным преимуществом резонансного зеркала (3) является также его селективность по длине волны. На Фиг. 4 приведена спектральная зависимость коэффициента отражения резонансного зеркала (3).
Механизм синхронизации линейки лазерных диодов (1) поясняется на Фиг. 2. Минимальная величина расходимости излучения отдельного диода линейки лазерных диодов (1) оценивается как λ/d, где d - полная апертура диода, и для величины d, равной 4 мкм, при длине волны λ=930 нм равна 29 угловых градуса.
В случае, когда излучение отдельных диодов не синхронизовано, то излучение линейки лазерных диодов (1) имеет расходимость не менее расходимости отдельного диода, которая в свою очередь значительно превышает угловую ширину резонанса 0,25 градуса в приведенном выше примере резонансное зеркало (3). Это приводит к низкому эффективному коэффициенту отражения резонансное зеркало (3) и подавляет индивидуальную генерацию лазерных диодов.
В случае, когда излучение линейки лазерных диодов (1) синхронизовано, причем соседние диоды излучают в противофазе, тогда излучение линейки лазерных диодов (1) падающей на резонансное зеркало (3) является излучением +1 или -1 порядка дифракции плоской волны, прошедшей через соответствующую фазовую дифракционную решетку (распределение амплитуды волны показано в верхней части Фиг. 2). Угловую расходимость +/-1 порядка дифракции можно оценить как A/D, где D - полная апертура линейки лазерных диодов (1). Для величины D равной 0.2 мм при длине волны λ=930 нм эта расходимость оценивается в 0,27 угловых градуса, которая сопоставима с угловой шириной резонанса в приведенном выше примере резонансное зеркало (3). Долю мощности в соответствующем порядке дифракции можно оценить как 0.4 от полной мощности излучения линейки лазерных диодов (1). Этот порядок дифракции отразится резонансным зеркалом (3) с приведенными параметрами с эффективностью более 75%. Обратно в резонатор дифрагирует порядка 0,12=0,4 0,75 0,4 от полного излучения линейки лазерных диодов (1) при условии идеального ее согласования с коллимирующей цилиндрической линзой (2). Таким образом, эффективность обратной связи ожидается близкой к оптимальной.
В предварительных экспериментах с линейкой из 25 лазерных диодов, расположенных на расстоянии 8 мкм друг от друга, коллимирующей просветленной цилиндрической линзой (2) с фокусным расстоянием 290 мкм и резонансное зеркало (3) с параметрами, приведенными выше, было получено 0,3 Вт выходного излучения линейки лазерных диодов (1) с расходимостью в плоскости линейки, определяемой полной ее апертурой при токе накачки в два раза превышающем пороговое значение.