СУММАТОР ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
OPTICAL RADIATION ADDER

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а точнее к оптическим системам с преломляющими элементами, коллимирующими излучение лазерного пучка, и может быть использовано в системах оптической локации, оптической связи, телеуправления и др.
В этих системах, как правило, необходимо эффективно и достаточно равномерно заполнить излучением некоторую полевую диафрагму, изображение которой в конечном счете передается в дальнюю зону.
Для этого удобно использовать инжекционные полупроводниковые лазеры, также называемые лазерными диодами, которые являются одними из наиболее востребованных современных излучателей всего оптического диапазона, видимого и ближнего инфракрасного и представляют собой самые компактные источники лазерного излучения из всех когда-либо применявшихся в лазерных технологиях. Лазерные диоды являются твердотельными устройствами, поэтому отличаются высокой прочностью, надежностью и долговечностью, причем по мере совершенствования технологий их эксплуатационный ресурс продолжает увеличиваться. Их коэффициент полезного действия составляет около 50%, но теоретически можно получить и более 80%. Несмотря на то, что выходная мощность лазерных диодов может достигать нескольких ватт, мощности одного диода может быть недостаточно для подсветки вышеуказанной полевой диафрагмы. Тогда применяются различные схемы суммирования излучения от нескольких лазеров. При этом помимо плотности мощности в плоскости полевой диафрагмы к пучку предъявляются требования по максимально допустимому значению числовой апертуры (углу расходимости).
Известна коллимирующая оптическая система для полупроводниковых лазеров по патенту RU №2101743, G02B 27/30, 1998 г., содержащая последовательно расположенные по ходу лучей объектив и группу призм, отличающаяся тем, что ребра преломляющих двугранных углов призм ориентированы параллельно плоскости полупроводникового перехода, преломляющие углы призм выбираются в пределах 25-40°, угловое увеличение Г группы призм выбирается из следующего соотношения:
⊥
o
где , θ - углы расходимости излучения полупроводникового лазера по уровню 0,5 в плоскостях, параллельной и перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода соответственно, передняя фокальная плоскость объектива смещена относительно предметной плоскости на расстояние δ, определяемое соотношением
⊥
где , а размеры - тела свечения полупроводникового лазера в плоскостях, параллельной и перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода соответственно, а продольная сферическая аберрация δ(u) объектива выбирается из следующего соотношения:
где U - апертурный угол объектива;
o
δ - расстояние от передней фокальной плоскости объектива до предметной плоскости.
⊥
=8° - 12°, θ⊥=30° - 50°, =50 - 500 мкм в зависимости от выходной мощности Р=0.5-5 Вт, а ≈ 1 мкм.
В реферате указывается, что данная коллимирующая оптическая система может быть использована для получения осесимметричного светового пучка от нескольких полупроводниковых лазеров. При этом соотношение для углового увеличения Г группы призм меняется и превращается в следующее:
где N - количество полупроводниковых лазеров.
В дальнейшем этот подход продолжен в патенте RU №2148850, G02B 27/30, 2000 г. тех же авторов в основном в части повышения стабильности выходного пучка при воздействии пониженной и повышенной температуры без изменения принципа увеличения мощности пучка за счет увеличения количества полупроводниковых лазеров, расположенных в один ряд вплотную друг к другу.
Наиболее близким устройством по технической сущности к заявляемому изобретению является сумматор оптического излучения, патент RU №2182346, G02B 27/09, 2000 г., содержащий группу источников излучения, например лазеров, оптические оси которых параллельны друг другу, последовательно расположенные по ходу лучей коллимирующие объективы и общую систему оптических клиньев. В этом изобретении, как и в предыдущем, предлагается способ уменьшения зависимости основных оптических характеристик прибора от изменения температуры окружающей среды.
⊥
⊥
⊥
Поперечный габаритный размер сумматора данной конструкции ограничен снизу поперечным размером корпуса лазерного диода D и не может быть меньше N(D+δ), где δ - минимально необходимый технологический зазор между корпусами лазеров. Продольный габаритный размер в свою очередь прямо пропорционален поперечному при неизменном значении углового увеличения группы призм Г. Размер D связан с мощностью лазера и с требуемой эффективностью теплоотвода, поэтому не может быть уменьшен. Кроме того, в качестве коллимирующей оптики в данной конструкции используются трехлинзовые объективы с высокой числовой апертурой, требующие соответствующих размеров оправ, что тоже ограничивает возможности уменьшения габаритов прибора.
Поэтому недостатком такой оптической системы является то, что при необходимости повышения в два раза выходной мощности суммированного пучка с использованием тех же источников излучения в два раза увеличиваются габаритные размеры устройства.
Другим недостатком, который не акцентируется в вышеуказанных патентах, является сильная неоднородность распределения мощности в поперечном сечении пучка на выходе призменного телескопа (в ближней зоне) в направлении, перпендикулярном плоскостям полупроводниковых переходов.
Задачей данного изобретения является повышение в два раза мощности выходного пучка сумматора оптического излучения без увеличения габаритов при обеспечении необходимой равномерности распределения освещенности в поперечном сечении пучка.
k
⊥
Технический результат достигается тем, что в качестве объективов, коллимирующих излучение группы расположенных в один ряд вплотную друг к другу лазерных диодов используются одиночные градиентные или асферические линзы диаметром d в два раза меньшим, чем поперечный размер корпуса лазерного диода D, в систему добавляется еще одна такая же группа расположенных в один ряд вплотную друг к другу лазерных диодов с коллимирующими линзами, только смещенная поперек оптической оси на половину расстояния между соседними лазерными диодами.
Каждая из двух групп создает набор параллельных в одной плоскости коллимированных пучков с расстоянием между пучками, несколько превышающим световой диаметр пучков.
Затем при помощи совмещающего компонента формируется единый набор параллельных в одной плоскости коллимированных пучков с минимальным расстоянием между пучками.
За совмещающим компонентом следует призменный телескоп, состоящий из целого числа пар оптических призм, ребра преломляющих двугранных углов которых ориентированы параллельно плоскостям полупроводниковых переходов, причем направление входного и выходного пучка в каждой паре совпадает с направлением исходных коллимированных пучков.
Следующая за призменным телескопом линза формирует сходящийся пучок с заданным апертурным углом (углом расходимости) и с заданными размерами поперечного сечения вблизи ее фокальной плоскости, обеспечивая при этом необходимую равномерность распределения освещенности.
На фиг. 1 и 2 показаны поперечные разрезы сумматора в сечениях параллельном и перпендикулярном плоскости полупроводникового перехода.
Сумматор фиг. 1 и фиг. 2 содержит десять полупроводниковых лазеров поз. 1 с характеристиками:
⊥
, а - размеры тела свечения полупроводникового лазера в плоскостях, параллельной и перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода соответственно.
, θ⊥ - углы расходимости излучения полупроводникового лазера по уровню 0,5 в плоскостях, параллельной и перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода соответственно.
⊥
Полупроводниковые лазеры поз. 1 собраны в две группы по пять лазеров, расположенных в ряд в направлении, перпендикулярном плоскости полупроводникового перехода (см. фиг. 2) с минимальным зазором δ между корпусами лазеров, необходимым для настройки сумматора. Поэтому расстояние между осями соседних лазеров равно D+δ.
При этом оси пучков в первой группе перпендикулярны осям пучков во второй группе (см. фиг. 1).
к
к
⊥
В качестве коллимирующего объектива используется одиночная градиентная или асферическая линза поз. 2 фиг. 1 с фокусом ƒ и диаметром d, не превышающим половины поперечного размера корпуса лазерного диода D:
⊥
⊥
⊥
к
В плоскости, параллельной плоскости полупроводникового перехода, из-за большой ширины активного слоя лазер генерирует излучение на нескольких поперечных модах резонатора, в связи с этим угловое распределение интенсивности излучения лазера в этой плоскости приблизительно постоянно в пределах угла расходимости . В плоскости, перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода, волноводный слой удерживает только одну низшую поперечную моду, и угловое распределение интенсивности излучения лазера в этой плоскости описывается гауссовой кривой с шириной θпо уровню 0,5. Поэтому после коллимирующей линзы поперечное сечение пучка представляет собой узкую полоску шириной  вытянутую в плоскости, перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода с гауссовым распределением вдоль полоски и с почти равномерным распределением поперек полоски. Коллимирующая линза не должна вносить дифракционных искажений в пучок, поэтому ее угловая апертура должна быть не меньше угла θ. Таким образом, размер пучка в направлении, перпендикулярном плоскости полупроводникового перехода равен световому диаметру коллимирующей линзы, т.е. А=d.
Каждая группа лазеров создает набор коллимированных пучков, параллельных в одной плоскости, с расстоянием между пучками, несколько превышающим световой диаметр пучков. Это позволяет объединить два набора пучков в один набор параллельных в одной плоскости коллимированных пучков с небольшим расстоянием между пучками.
Для этого используется совмещающий компонент поз. 3 фиг. 1 и фиг. 2, выполненный в виде зеркала с эквидистантным набором круглых сквозных отверстий для прохода излучения первой группы полупроводниковых лазеров (диаметр отверстий соответствует световому диаметру коллимирующей линзы) и отражающего излучение второй группы полупроводниковых лазеров.
После совмещающего компонента отдельные коллимированные пучки объединяются в единый пучок с поперечными размерами:
Углы расходимости пучков после коллимирующих линз (углы расходимости пучка до призменного телескопа):
где λ - длина волны излучения лазера.
Последнее выражение следует из известного закона преобразования гауссова пучка линзой (см., например, [4]).
Конструкция совмещающего компонента может быть различной и зависит от взаимного расположения осей пучков исходных групп. При перпендикулярном расположении осей совмещающий компонент может также быть выполнен в виде удлиненной призмы полного внутреннего отражения АР-90 поз. 3 фиг. 3 с эквидистантным набором круглых сквозных отверстий, направленных вдоль одного из катетов для прохода излучения первой группы полупроводниковых лазеров. Излучение лазеров второй группы испытывает полное внутреннее отражение от гипотенузной грани призмы. При этом требуется просветление поверхностей катетов призмы для уменьшения потерь излучения второй группы.
При встречном ходе пучков исходных групп совмещающий компонент может быть двойным набором призм полного внутреннего отражения АР-90 поз. 3(1) и поз. 3(2) фиг. 4.
При параллельном ходе пучков исходных групп совмещающий компонент может быть двойным набором ромбических призм типа БС-0 поз. 3(1) и поз. 3(2) фиг. 5.
i
За совмещающим компонентом следует призменный телескоп, состоящий из последовательности оптических призм поз. 4, 5, 6, 7 фиг. 1 и фиг. 2, ребра преломляющих двугранных углов которых ориентированы параллельно плоскостям полупроводниковых переходов, который многократно уменьшает поперечный размер  лишь незначительно увеличивая за счет длины прохода размер  При этом во столько же крат увеличивается угол расходимости , а угол расходимости  остается неизменным. Число призм может быть любым и каждая призма может иметь свое значение углового увеличения Г. Угловое увеличение телескопа равно произведению угловых увеличений призм. На практике для настройки прибора удобно, когда направление пучка на выходе телескопа совпадает с направлением входящего пучка, поэтому в заявленной конструкции телескоп состоит из целого числа пар оптических призм, причем направление входного и выходного пучка в каждой паре совпадает с направлением исходных коллимированных пучков. Такая попарная компоновка призменного телескопа сильно упрощает технологический процесс сборки и настройки. Для этого ребра преломляющих двугранных углов призм в каждой паре расположены по разные стороны относительно оси пучка, а величины углов и показателей преломления материалов призм выбираются исходя из требуемого значения углового увеличения пары. Применение различных материалов может быть необходимо для компенсации температурных уводов выходного пучка. В простейшем случае все призмы изготавливаются из одного материала с одинаковыми углами как на фиг. 2.
Поперечные размеры пучка после призменного телескопа:
cp
где L - средняя длина прохода в призменном телескопе, приведенная к воздуху;
1
2
3
2n
i
где Г=Г⋅Г⋅Г…Г - угловое увеличение призменного телескопа (коэффициент сжатия пучка), Г - угловое увеличение (коэффициент сжатия) i-й призмы, n - число пар призм.
Углы расходимости пучка после призменного телескопа:
i
Т.к. распределение мощности в поперечном сечении пучка на выходе призменного телескопа неоднородно в направлении, перпендикулярном плоскостям полупроводниковых переходов, то после призменного телескопа устанавливается линза с фокусом ƒ, необходимая для формирования пучка с заданными параметрами и максимально равномерным распределением мощности в заданной плоскости. На практике эта плоскость выбирается вблизи фокальной плоскости линзы, где поперечные размеры пучка равны:
Углы расходимости пучка после фокусирующей линзы (на выходе сумматора) равны:
Приведенные формулы помогают оценить характеристики схемы сумматора и составляющих его элементов исходя из заданных параметров выходного пучка.
Список использованных источников
1. Патент РФ №2101743, G02B 27/30, 10.01.1998.
2. Патент РФ №2148850, G02B 27/30, 28.07.1998.
3. Патент РФ №2182346, G02B 27/09, 20.06.2000.
4. Л.В. Тарасов. Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения. - М.: Радио и связь, 1981, с. 175.