ИЗЛУЧАЮЩИЙ СУММАТОР

Предлагаемая полезная модель относится к оптическому приборостроению, а точнее к сумматорам оптического излучения для линеек лазерных диодов, которые могут быть использованы в качестве источника излучения в лазерных приборах.
Известна оптическая система, патент РФ №2182346, «сумматор оптического излучения» МПК7 G02B 27/09, H01S 5/40), включающая в себя коллимирующие объективы и систему оптических клиньев, выполненную из четного количества пар оптических клиньев, закрепленных на несущей пластине, выполненной из материала с коэффициентом линейного расширения, согласованным с коэффициентом линейного расширения материала оптических клиньев.
Недостатками приведенной системы являются небольшое количество источников (6 излучателей), излучение от которых может быть введено в оптическое волокно, большие габаритные размеры.
Известна оптическая система Junhong Yu, Linhui Guo, Hualing Wu, Zhao Wang, Songxin Gao, And Deyong Wu «Optimization of beam transformation system for laser-diode bars» OPTICS EXPRESS 19728, Vol.24, No. 17, 22 Aug 2016), включающая в себя коллимирующую цилиндрическую линзу, массив наклоненных цилиндрических линз и фокусирующую линзу.
Недостатками приведенной системы являются небольшое количество источников (9 излучателей), излучение от которых может быть введено в оптическое волокно, и оптическая эффективность системы 46,8%.
Наиболее близким по техническому решению оптическая система патент РФ №2172972, «Излучающий сумматор» МПК7 G02B27/09 H01S5/40, который принят авторами за прототип.
Излучающий сумматор-прототип включает излучающие источники с излучающими полосками и отображающее средство, расположенное между источниками и выходом сумматора и содержащее средство формирования излучения. В средство формирования введено оптическое средство суммирования излучения, выполненное в виде призмы, имеющей входную грань, расположенную перпендикулярно оптическим осям пучков излучения, и отражающие грани, после отражения от которых оптические оси пучков излучения расположены параллельно в плоскости, параллельной коротким сторонам излучающих полосок, с возможностью частичного перекрытия пучков излучения. Средства коллимирования излучения в плоскостях, параллельных коротким сторонам соответствующих излучающих полосок, размещены со стороны излучающих источников для каждого из них. Общее средство коллимирования излучения в плоскости, параллельной длинным сторонам полосок, помещено после оптического средства суммирования излучения, а также включает средство фокусировки излучения, установленное после общего средства коллимирования излучения
Недостатками приведенной системы являются большое количество оптических элементов, которые приводят к большим габаритным размерам и энергетическим потерям.
Задача, решаемая заявляемой полезной моделью, - создание оптической системы суммирования излучения от всей линейки лазерных диодов и ввода суммированного излучения в оптическое волокно с уменьшенным количеством элементов и уменьшенными потерями излучения.
Решение указанной задачи достигается тем, что в оптическую систему, состоящую из источников излучения (лазерных диодов), объединенные в линейку с различной расходимостью в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях, соответствующих большей и меньшей сторонам излучающих полосок, коллимирующей системы состоящей из общей для всех источников цилиндрической линзы для коллимации излучения в плоскости параллельной короткой стороне излучателей и массива цилиндрических линз, каждая линза из массива расположена напротив отдельной излучающей площадки и предназначена для коллимации излучения в плоскости параллельной длинной стороне излучателей, вводится средство суммирования и фокусирования излучения представляющее собой массив наклонных торических зеркал.
Общая цилиндрическая линза имеет положительную оптическую силу в плоскости параллельной короткой стороне излучателей, каждая цилиндрическая линза из массива имеет положительную оптическую силу в плоскости параллельной длинной стороне излучателей. Все цилиндрические линзы выполнены из материала с высоким значением показателя преломления n>1.7. Добавление в оптическую схему массива наклонных торических зеркал, расположенных на расстоянии друг от друга, позволяет сфокусировать излучение от каждого источника и ввести в оптическое волокно без использования дополнительных оптических элементов, повышающих потери излучения.
Указанная совокупность признаков позволяет получить необходимое и достаточное количество элементов оптической схемы, позволяющее создать оптическую систему с уменьшенными потерями оптического излучения, за счет отсутствия большого количества оптических элементов с высокими потерями.
Сущность изобретения поясняется фигурами в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: на фигуре 1 в плоскости параллельной длинной стороне излучателей, на фигуре 2 в плоскости параллельной короткой стороне излучателей.
Устройство содержит (фиг. 1) источники излучения 1, объединенные в линейку лазерных диодов, с отношением длин сторон излучающей области каждого источника порядка 1:100, находящуюся в передней фокальной плоскости последовательно расположенных по ходу луча общей цилиндрической линзы 2 с положительной оптической силой в плоскости параллельной короткой стороне излучателей, массива одинаковых цилиндрических линз 3 с положительной оптической силой в плоскости параллельной длинной стороне излучателей. Также устройство содержит систему наклонных торических зеркал 4, каждое зеркало расположено напротив отдельного излучателя на равном расстоянии друг от друга и перемененным шагом в направлении излучения для уплотнения пучка, с одинаковыми радиусами кривизны в плоскости параллельной короткой стороне излучателей, и различными радиусами и углами наклона в плоскости параллельной длинной стороне излучателей, служащих для ввода излучения в многомодовое оптическое волокно под углом, не превышающим числовую апертуру последнего. Для увеличения эффективности оптической системы на цилиндрические линзы нанесены просветляющие покрытия для соответствующего излучателям спектрального диапазона и высокоотражающее покрытие на торические зеркала (коэффициент отражения R более 99%).
Устройство работает следующим образом: при включении лазерные пучки от источников, объединенные в линейку, проходя через общую для всех источников цилиндрическую линзу, коллимируются в плоскости параллельной короткой стороне излучателей, далее каждый из пучков проходит через соответствующую каждому излучателю цилиндрическую линзу и коллимируется в плоскости параллельной длинной стороне излучателей, при этом минимизируется остаточная расходимость лазерных пучков. Далее каждый коллимированный лазерный пучок, благодаря расположению и форме торических зеркал, перенаправляется советующим зеркалом на торец оптического волокна.
Система рассчитана и экспериментально проверена для линейки лазерных диодов, состоящей из 19 излучателей с размерами каждой излучающей области 1 мкм × 100 мкм и периодом 500 мкм. Радиусы кривизны первой общей цилиндрической линзы составили r=-0.48 мм, радиусы кривизны массива одинаковых цилиндрических линз составил r=-1.19 мм, каждое зеркало расположено напротив отдельного излучателя на расстоянии друг от друга с шагом 0,5 и перемененным шагом от 0,05 до 0,15 мм в направлении излучения для уплотнения пучка, с одинаковыми радиусами кривизны -15<r<-20 мм в плоскости параллельной короткой стороне излучателей, и различными радиусами от -20 до -45 мм и углами наклона от 40° до 50° в плоскости параллельной длинной стороне излучателей, служащих для ввода излучения в оптическое волокно с диаметром более 100 мкм и числовой апертурой 0.22. Примером конкретной реализации предлагаемой полезной модели является оптическая система с энергетическими потерями менее 4%.
Техническим преимуществом предлагаемого изобретения, по сравнению с прототипом является
уменьшение габаритов;
уменьшение количество элементов;
уменьшение энергетических потерь. Реализация технических преимуществ оптической системы предлагаемой полезной модели повышает его выходную оптическую мощность лазерного модуля.