КОЛЛИМИРУЮЩАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА

Представленная полезная модель относится к оптическому приборостроению, в частности к устройствам, использующим лазерное излучение. Полезная модель может быть использована при разработке полупроводниковых лазерных дальномеров для оптико-электронных комплексов обнаружения и сопровождения наземных, морских и воздушных объектов, систем наведения и управления оружием.
∥
⊥
∥
∥
⊥
⊥
Недостаток известных полупроводниковых лазеров, используемых в дальномерах, состоит в большой разнице размеров тела излучения по длине а и ширине а. Это приводит к тому, что угол расходимости лазерного светового пучка γ, соответствующего длине тела излучения а, существенно меньше угла расходимости светового пучка γ, соответствующего ширине тела излучения а. Следствием этого является тот факт, что поперечное сечение пучка излучения лазера в плоскости объекта, до которого измеряется дальность, представляет собой овал с длиной существенно большей его ширины.
В известных полупроводниковых лазерных дальномерах этот недостаток преодолевается применением группы призм [патенты РФ №2101743; №214885; №2390811], ребра преломляющих двугранных углов которых ориентированы параллельно плоскости полупроводникового перехода. Недостаток таких полупроводниковых лазерных дальномеров состоит в том, что при требуемом уменьшении расходимости лазерного излучения габариты дальномера становятся неприемлемыми.
Данный недостаток частично преодолен в коллимирующей оптической системе для полупроводникового лазера (А.А. Зборовский, Б.Б. Иванов, патент РФ №2481605 "Коллимирующая оптическая система для полупроводникового лазера"), принятой в качестве прототипа.
В прототипе [патент РФ №2481605] представлена оптическая система для полупроводникового лазера, содержащая последовательно расположенные по ходу лучей объектив и две прямые призмы, ребра преломляющих двугранных углов которых ориентированы перпендикулярно плоскости полупроводникового перехода. Преломляющие углы призм β одинаковы, выбираются в пределах 20÷42 градусов и должны удовлетворять соотношению:
где α - углы падения пучков излучения на призмы;
n - показатель преломления материала призмы.
Фокусное расстояние объектива F (формула 7 патента РФ №2481605), в предметной плоскости которого расположена излучающая поверхность полупроводникового перехода, выбирается из соотношения:
где  - размер излучающей поверхности полупроводникового лазера в плоскости, параллельной плоскости полупроводникового перехода, ∥⊥;
φ - требуемая расходимость излучения на выходе объектива;
Γ - угловое увеличение одной призмы.
Из формулы (2), фокусное расстояние объектива F, определяющее габариты оптической системы полупроводникового лазера, обратно пропорционально углу расходимости ϕ. Из этого следует, что при необходимости уменьшения угла расходимости, например, в два раза фокусное расстояние увеличивается тоже в два раза, а это влечет за собой соответствующее увеличение выходного диаметра объектива и габаритов призм, то есть ведет к росту габаритов всей коллимирующей оптической системы лазерного излучателя в два раза.
Кроме того, в патенте РФ №2481605, имеется жесткая зависимость фокусного расстояния объектива от параметров лазерного излучателя: размеров излучающей поверхности и угла расходимости излучения, не позволяет оптимизировать габариты коллимирующей оптической системы для выбранного источника излучения и заданного угла расходимости излучения.
Предлагаемая полезная модель позволяет оптимизировать габариты коллимирующей оптической системы лазерного излучателя при необходимости существенного уменьшения расходимости лазерного излучения.
Указанный технический результат достигается установкой за призмами телескопической оптической системы, уменьшающей угол расходимости лазерного излучения до заданного значения.
Покажем это на примерах устройств, выполненных с использованием одного и того же полупроводникового излучателя.
В прототипе (А.А. Зборовский, Б.Б. Иванов, патент РФ №2481605 "Коллимирующая оптическая система для полупроводникового лазера") общая длина  оптической схемы от излучающей области лазера до выходного ребра призмы при угле расходимости ϕ, равном четырем угловым минутам составляет ~105 мм. При уменьшении угла расходимости ϕ в два раза фокусное расстояние объектива F увеличится в два раза (формула 2), соответственно в два раза увеличатся диаметр объектива и габариты призм, при этом общая длина  оптической системы также увеличится в два раза и составит ~210 мм, то есть увеличение длины коллимирующей оптической системы составит 105 мм.
T
K
K
Телескопическая система, состоящая из отрицательного и положительного оптических компонентов, при двукратном увеличении имеет длину L ~55 мм (измерения проведены на реальном образце). На это значение увеличивается длина L предлагаемой коллимирующей оптической системы полупроводникового лазерного излучателя, которая составит 160 мм, т.е. длина предлагаемой коллимирующей оптической системы L будет на 50 мм меньше соответствующей длины прототипа .
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет существенно уменьшить габариты оптико-электронного прибора и получить заявленный технический результат. Еще одним преимуществом предлагаемой оптической системы является возможность менять ее параметры (фокусное расстояние объектива, увеличение призм) вне зависимости от параметров источника лазерного излучения за счет изменения увеличения телескопической системы.
На фиг. 1 представлена коллимирующая оптическая система полупроводникового лазерного излучателя.
Коллимирующая оптическая система полупроводникового лазерного излучателя (фиг. 1) содержит последовательно установленные полупроводниковый лазер 1, объектив 2, призменный блок 3, состоящий из двух прямых преломляющих призм 4 и 5, и телескопическую оптическую систему 6, содержащую отрицательный 7 и положительный 8 компоненты.
Излучающая поверхность лазера 1 расположена в предметной области объектива 2. Положение предметной области находится вблизи фокальной плоскости объектива 2 и точно устанавливается в процессе юстировки коллимирующей оптической системы полупроводникового лазерного излучателя. Ребра преломляющих двугранных углов призм 4 и 5 призменного блока 3 ориентированы перпендикулярно плоскости полупроводникового перехода. Углы между преломляющими гранями призм 4 и 5 выполнены одинаковыми по величине, в пределах от 20 до 42 градусов. Призмы изготовлены из одной и той же марки оптического стекла. За призмами установлена телескопическая оптическая система 6, отрицательный компонент 7 которой расположен сразу за призменным блоком 3.
Коллимирующая оптическая система работает следующим образом. Расходящийся пучок излучения полупроводникового лазера 1 преобразуется объективом 2 в слабо расходящийся световой пучок, представляющий собой в поперечном сечении плоскую фигуру в виде овала, причем длина овала значительно больше его ширины. Далее пучок излучения проходит через блок призм 3, который уменьшает расходимость лазерного луча на выходе по одной координате и не меняет по второй координате, т.к. для этой координаты призмы эквивалентны плоскопараллельным пластинкам. Окончательное формирование лазерного пучка до требуемого угла расходимости происходит в телескопической оптической системе 6, коэффициент увеличения Кт которой равен:
где  - размер излучающей области полупроводникового лазера в плоскости, параллельной плоскости полупроводникового перехода,
φ - требуемая расходимость излучения,
F - фокусное расстояние объектива,
α - угол падения пучков лазерного излучения на призмы,
β - преломляющие углы призм.