ФАЗОВОЕ РЕШЕТЧАТОЕ ЗЕРКАЛО ДЛЯ СИНХРОНИЗАЦИИ ЛИНЕЙКИ ЛАЗЕРНЫХ ДИОДОВ

Полезная модель относится к области лазерной техники, и, в частности, к фазовому решетчатому зеркалу для синхронизации линейки лазерных диодов.
Основной принцип синхронизации заключается в том, чтобы с помощью обратной связи обеспечить поперечную пространственную когерентность излучения всех излучателей линейки лазерных диодов. Для достижения данной цели делались попытки использовать резонатор Тальбо (см., например, US 4813762, 21.03.1989 [Д1] или US 5027359, 25.06.1991 [Д2]) и устройства пространственной фильтрации (см., например, J.Yaeli, W.Streifer, D.R.Scifres et al, Appl. Phys. Lett. 47 (2), 89-91, 1985 [Д3] или Kristin К. Anderson and Robert H. Rediker, Appl. Phys. Lett. 50 (1), 1-3, 1987 [Д4]). Резонатор Тальбо имеет слабую дискриминацию по порогу генерации мод высокого порядка по отношению к основной моде. Метод пространственной фильтрации с помощью амплитудных масок вносит значительные дополнительные потери в резонаторе существенно повышающие порог генерации основной моды.
1
2
2
2
Для того чтобы устранить указанные недостатки и при этом обеспечить пространственную когерентность всех диодов (3) линейки (2), имеющей глухое заднее зеркало (1) и просветляющее покрытие на выходной апертуре (4), предлагается в схеме пространственной фильтрации (Фиг.1) с использованием коллимирующей цилиндрической линзы (5), имеющей фокусное расстояние f, использовать один объектив (6), имеющей фокусное расстояние f и осуществляющий прямое преобразование Фурье апертуры (4) линейки лазерных диодов, в Фурье плоскости которого помещено выходное зеркало (7) одновременно работающее как отражающая фазовая дифракционная решетка (см. Фиг.2). Отраженное излучение испытывает обратное преобразование Фурье, образ которого локализован на выходном торце линейки лазерных диодов (4) и зеркален относительно оптической оси системы. Отражающая дифракционная решетка (Фиг.2) представляет собой прозрачную подложку (8) с гофрированной поверхностью с периодом прямоугольного гофра  (D - расстояние между центрами соседних лазерных диодов линейки, f - фокусное расстояние Фурье-объектива) и глубиной канавок равной четверти рабочей длины волны λ в вакууме, на которую нанесено диэлектрическое зеркало (9) с необходимым коэффициентом отражения. Приведенная выше формула для периода гофра справедлива при условиях λ/D<<1 и D/f<<1.
При указанных параметрах гофра дифракционная решетка обеспечивает подавление отражения нулевого порядка дифракции падающей плоской волны и равенство амплитуд ±1 порядков дифракции.
Равенство фаз ±1 порядков дифракции обеспечивается при условии симметричного расположения решетки относительно оптической оси всей системы. Эти порядки содержат 81% мощности всего отраженного излучения.
Для того чтобы пояснить принцип синхронизации линейки лазерных диодов для начала, предположим, что в Фурье плоскости расположено обычное зеркало при этом обратное преобразование Фурье дает зеркальное изображение линейки лазерных диодов на ее выходном зеркале (4) и каждая пара лазерных диодов, расположенных симметрично относительно оптической оси, образует отдельный оптический резонатор. При этом эти резонаторы не связаны друг с другом. Фурье объектив (общий для данных резонаторов) играет роль фильтра высоких пространственных гармоник, обеспечивая генерацию фундаментальных поперечных мод для пар лазерных диодов указанных резонаторов. Также возможно выполнение упомянутого Фурье-объектива либо на базе сферической, либо на базе цилиндрической оптики.
При замене обычного выходного зеркала (Фиг.1а) на фазовое решеточное зеркало (Фиг.1б) излучение каждого лазерного диода, отраженное от указанного выше дифракционного зеркала, расщепляется на два пучка (±1 отраженные дифракционные порядки, для одного лазерного диода схематично показаны на Фиг.1б) и попадает не на своего зеркального партнера, а на два прилегающих к нему лазерных диода. В итоге на каждый лазерный диод линейки в качестве излучения обратной связи приходит излучение от двух других диодов линейки (исключение составляют крайние в линейке лазерные диоды). В случае симметрии оптической схемы при общем нечетном числе лазерных диодов (при четном числе образуется две независимых группы излучателей), все диоды последовательно объединяются в единый сложный оптический резонатор.
В случае использования набора линеек лазерных диодов (матрица диодов) соответственно используют двумерное фазовое решетчатое зеркало и сферическую оптику Фурье-объектива. Второй ортогональный период удовлетворяет выше приведенной формуле, в которой под параметром D понимается расстояние между соответствующими диодами в соседних линейках.
Фиг.3 схематично иллюстрирует взаимосвязь лазерных диодов линейки (двунаправленный обмен энергией излучения) для нечетного (Фиг.3а) и для четного (Фиг.3б) их числа.
Пучки света, приходящие на отдельный лазерный диод от двух других диодов, должны быть когерентны и их фазы должны совпадать, чтобы обеспечить конструктивную интерференцию и максимальное усиление лазерным диодом пришедшего излучения обратной связи и, как следствие, минимальный порог генерации всей лазерной линейки. Условие равенства фаз ±1 порядков дифракции должно обеспечивать синфазность всех излучателей линейки.
Таким образом, фазовое решеточное зеркало вносит относительно малые (менее 20%) дополнительные потери в резонатор по отношению к резонатору с обычным зеркалом при этом обеспечивая коллективную синфазную генерацию всех лазерных диодов линейки.
В прошедшем через фазовое решеточное зеркало излучении плоской волны доля нулевого порядка составляет более 85%. Таким образом, влияние этого зеркала на выходное излучение минимально. Последнее обстоятельство также подтверждается следующим рассуждением. При синфазной генерации всех лазерных диодов распределение мощности на фазовом решеточном зеркале имеет типичный вид дифракции от амплитудной решетки, при этом все главные максимумы целиком располагаются либо на гребнях, либо на канавках решетки. При этом в прошедшем излучении соотношение фаз главных максимумов остается неизменным, что подтверждает минимальное влияние фазового решеточного зеркала на пространственное распределение выходного излучения, определяемое только геометрическими параметрами линейки лазерных диодов.