ЛАЗЕРНЫЙ ДИОДНЫЙ МОДУЛЬ

Полезная модель относится к оптике, а точнее к лазерным оптическим системам, предназначенным для применения в качестве источника излучения для обработки материалов, включая аддитивные технологии.
Известны патенты, описывающие конструкции лазерных диодных модулей с волоконным выходом, которые содержат оптическую систему согласования массивов лазерных диодов с оптическим волокном, включающие коллимирующую систему из цилиндрических линз в двух взаимно перпендикулярных направлениях, систему пространственного перераспределения пучка и фокусировки лазерного пучка на торец оптического волокна. В том числе в качестве такого массива применяют двумерные стеки лазерных диодов [US 2015/0085370 А1 - дата опубликования 26.03.2015, US 2005/0063435 А1 - дата опубликования 24.03.2015], а также объединяют несколько массивов лазерных диодов в корпусе для полупроводниковых приборов с тремя выводами типа ТО (от англ. «Transistor Outline» Package) с помощью поляризационного соединения [US 2016/0322777 А1 - дата опубликования 03.11.2016].
Прототипом предлагаемой полезной модели является конструкция лазерного диодного модуля [WO 2014/179345, B23K 26/342 - дата опубликования 29.04.2013], содержащая одномерный массив лазерных диодов в корпусе ТO56, смонтированных на едином основании с обеспечением сонаправленного излучения, цилиндрические асферические линзы для коллимации излучения в плоскости перпендикулярной p-n переходу полупроводникового лазерного диода, телескопическую систему из двух цилиндрических линз в плоскости параллельном p-n переходу полупроводниковых лазерных диодов составного лазерного пучка, систему уплотнения лазерного пучка из микрозеркал или призм, каждая из которых работает с отдельным излучателем в массиве, также единое зеркало, расположенное под углом 45 градусов, отклоняющее оптическую ось в том же сечении, что и массив микрозеркал или призм, а также линзу для фокусировки составного лазерного пучка на торец оптического волокна. Для увеличения выходной оптической мощности авторы прототипа предлагают объединять одномерные массивы парами со смещением одного массива относительно другого на половину корпуса элемента, для заполнения промежутков между соседними лазерными пучками в массиве. Объединение излучения от нескольких массивов осуществляется с помощью призм. Недостатком предлагаемого решения является большое количество оптических элементов, усложняющую юстировку оптической системы. Кроме того, предложенный метод объединения попарно одномерных массивов излучателей ограничивает выходную оптическую мощность устройства.
Задачей полезной модели является уменьшение количества оптических элементов, а, следовательно, упрощение юстировки и сборки системы. Данная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в повышении коэффициента полезного действия устройства. Технический результат достигается благодаря использованию двумерной матрицы лазерных диодов в корпусе типа ТО в качестве источников излучения, единой для каждого ряда излучателей в двумерном массиве асферических цилиндрических линз, обеспечивающие коллимацию пучков в плоскости перпендикулярной p-n переходам полупроводниковых лазерных диодов, цилиндрических линз для коллимации в плоскости параллельной p-n переходам полупроводниковых лазерных диодов, конструктивно объединенных в монолитную линзу с периодом равным расстоянию между соседними излучателями, двух монолитных ступенчатых массивов зеркал для уплотнения единого лазерного пучка во взаимно перпендикулярных сечениях, а также линзу для фокусировки лазерного пучка на торец оптического волокна в область диаметром не более сердцевины оптического волокна и углом падения менее числовой апертуры.
Оптическая схема предложенной полезной модели приведена на фигурах в двух сечениях: фигура 1 - в плоскости параллельной p-n переходу полупроводниковых лазерных диодов, фигура 2 - плоскость перпендикулярная излучению лазерных диодов для демонстрации хода лазерных пучков после массивов ступенчатых зеркал. Здесь 1 - единое основание для монтажа лазерных диодов, 2 - лазерные диоды в корпусе ТО, 3 - цилиндрические линзы для коллимации лазерных пучков в плоскости перпендикулярной плоскости излучения эмиттера, 4 - массив цилиндрических линз коллимации лазерных пучков в плоскости параллельной плоскости излучения эмиттера, объединенные в монолитную линзу с периодом, равным расстоянию между соседними излучателями, 5, 6 - монолитные ступенчатые массивы зеркал для уплотнения единого лазерного пучка в двух взаимно ортогональных сечениях, 7 - фокусирующая линза, 8 - оптическое волокно.
Устройство работает следующим образом: пучки лазерных диодов, обладающие несимметричными характеристиками в двух взаимно ортогональных направлениях, коллимируются двумя цилиндрическими линзами для каждого отдельного излучателя: первая асферическая линза коллимирует лазерные пучки в плоскости перпендикулярном p-n переходу и имеет фокусное расстояние не менее величины расстояния, на которое заглублен торец излучающего лазерного диода относительно верхнего края корпуса, при этом конструктивно данные линзы объединены в единую для каждого ряда источников в массиве лазерных диодов, вторая коллимирущая цилиндрическая линза в плоскости параллельном плоскости p-n перехода расположенная ортогонально первым цилиндрическим линзам, при этом конструктивно эти цилиндрические линзы объединены в монолитный массив с периодической структурой. После коллимации лазерные пучки падают на первое ступенчатое зеркало, каждая ступень которого соответствует отдельному ряду источников в массиве и преломляют оптические оси лазерных пучков на 90 градусов в плоскости перпендикулярном p-n переходу, при этом за счет расположения отражающих поверхностей зеркала, единый лазерный пучок в данном направлении становится уже, а распределение мощности в пучке более равномерным в данном сечении. Далее лазерный пучок попадает на второе ступенчатое зеркало, расположенное ортогонально первому и уплотняющий пучок в плоскости параллельном p-n переходу. После уплотнения лазерного пучка, производится ввод излучения от лазерных диодов в оптическое волокно с высокой эффективностью с помощью сферической линзы. Масштабирование выходной оптической мощности производится за счет увеличения количества отдельных лазерных диодов в массиве и пропорциональна выходной оптической мощности одного излучателя.
Система рассчитана и экспериментально проверена для массива 10×10 лазерных диодов (всего 100 источников) с выходной оптической мощностью каждого 1,6 Вт, суммарная мощность всех лазерных диодов составляет 160 Вт. После прохождения лазерных лучей через коллимирующую систему, отражения от двух массивов зеркал и прохождение через линзу, обеспечивающую ввод лазерного пучка в многомодовое оптическое волокно, на выходе устройства зарегистрирована оптическая мощность 148,5 Вт, что соответствует эффективности оптической системы 92,5%.