DD297039A5

DD297039A5 - Anordnung zur fernfeldglaettung und selektiven rueckkopplung von laserarrays

Info

Publication number: DD297039A5
Application number: DD32706689A
Authority: DD
Inventors: Michael Arnz
Original assignee: Friedrich-Schiller-Universitaet Jena,De
Priority date: 1989-03-30
Filing date: 1989-03-30
Publication date: 1991-12-19

Abstract

Anordnung zur Fernfeldglaettung und selektiven Rueckkopplung von Laserarrays. Die Anordnung ist geeignet, auch bei eng benachbarten Kanaelen mit starker Strukturierung, wie es z. B. bei Gaslaserarrays der Fall ist, eine brauchbare Fernfeldglaettung zu erreichen. Das kann unter Verwendung eines 4f-Aufbaus dadurch erreicht werden, dasz in der Fourier-Ebene der Anordnung sich eine zur Kompensation der Phasenflaeche des Arrayfeldes vorgesehene, der Struktur des ausgekoppelten Arrayfeldes angepaszte Phasenstruktur befindet.{Laserarray; Fernfeld; Glaettung; Phasenflaechenkompensation; Fourier-Ebene; Phasenstruktur}

Description

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Zur Nahfeldkompression von Halbleiter-Laserarrays ist ein Verfahren bekannt geworden. Dabei erfolgt eine optische Abbildung dos Laserarrayfeldes auf die periodische Phasenstruktur eines binären Gitters.

Es ist bekannt, daß durch Anwendung eines binären Gitters ein Einzelfold oder auch lokalisiertes Feld räumlich vervielfältigt werden kann. In Umkehrung erfolgt bei Vorgabe einer Art der Vervielfältigung, d. h. unter der Annahme, daß es dich bei dem Arrayfeld um eine räumliche Vervielfältigung des Feldes eines einzelnen Arraykanalos handelt, mit Hilfe des binären Gitters eine kohärente Superposition der lokalisierten Kanalfelder In ein einziges lokalisiertes Feld, und zwar unter Verwendung einos 4f-Aufbaus.

Das geschilderte Verfahren weist eine Reihe von Nachteilen auf. Die Eingrenzung auf binäre Gitterstrukturen bei Halbleiter-Laserarrays hat den Nachteil, daß eine Interpretation des Arrayfeldes als Gitterspektrum erfolgt. Diese Bedingung gilt in erster Näherung nur dann, wenn die Breiten der Einzelkanäle des jeweiligen Arrays als groß gegenüber ihren Abständen zueinander angesehen werden können und wenn es sich darüber hinaus um eine äquidistante Anordnung der Einzelkanäle handelt. Hinzu kommen die Einschränkungen, daß einerseits das Feldprofil innerhalb eines jeden Kanals auf die Form der Beugungspeaks des Binärgitters festgelegt ist und andererseits Beugungspeaks meist geringer Intensität an Stellen, die nicht charakteristisch für das Vorhandensein von Kanälen sind, also außerhalb des Arrays vernachlässigt werden müssen.

Außerdem ist eine gewisse Willkür bei der Anpassung der Gitterfeinstruktur, also der Gitterstruktur innerhalb einer Periode, nicht auszuschließen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein, verglichen mit dem bekannten Vcrfahron einfaches, allgemeingültiges und relativ justierunernpfindliches Verfahren zur Fernfeldglättung, das eine maximale Phasenglättung und somit Kompression gewährleistet.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu finden, das die bei der Anwendung bei Halbleiter-Laserarrays notwendigen Vorbedingungen und Einschränkungen, insbesondere die Notwendigkeit, das Array als Beugungsspektrum eines binären Gitters zu interpretieren, überflüssig machen und das beispielsweise auch für Gaslascrarrays mit eng benachbarten, in sich stark strukturierten Kanälen anwendbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einer Anordnung zur Fernfeldglättung und selektiven Rückkopplung von Laserarrays unter Verwendung eines 4 f-Aufbaus erfindungsgemäß dadurch, daß in der Fourior-Ebene der Anordnung sich eine zur Kompensation der Phasenfläche des Arrayfeldes vorgesehene, der Struktur des ausgekoppelten Arrayfeldes angepaßte Phasenstruktur befindet.

Die konkrete räumliche Struktur der ausgekoppelten Arrayfelder hängt i.A. von der Arraygeometrie und den experimentellen Bedingungen des Laserprozesses ab und kann auf experi .lentellem Wege gemessen oder auch theoretisch berechnet werden. Betrachtet man folglich die Mannigfaltigkeit von möglichen Arrayfeldern als vorgegeben und wählt eines davon aus, so erfolgt zunächst eine Fouriertransformation dieses Feldes. Liegt ein (anti)symmetrisches Feld vor, so ist die Fouriertransformierte rein (imaginär) reell, und die Glättung, die mit der Phasenstruktur erreicht werden soll, kann derart vonstatten gehen, daß die Nullstellen der Fouriertransformiorten bestimmt werden und dort die Sprungstellen der in diesem Falle binären Phasenstruktur lokalisiert werden. Das entspricht einer Anpassung der Phasenstruktur an dieses fixierte Fernfeld des Arrays und ist nach nochmaliger Fouriertransformation des geglätteten Fernfeldes mit maximal möglicher Kompression verbunden.

Ausfuhrungsbeispiel

Das Wesen der Erfindung soll an einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1: 4 f-Aufbau mit Array 1, Phasenstruktur 2, Solektionsblende 3 und Rückkoppelspiegel 4 Fig. 2: Graphische Bestimmung der Sprungstellen der Phasenstruktur Fig.3: Leistungsverlustkoeffizienten der Rückkopplung ins Array.

Eine bereits vorhandene schwache Phasenkopplung soll stabilisiert werden. Die aus einem Array 1 ausgekoppelte Feldverteilung s (x, t) sei somit vorgegeben, und zwar als (zeitlich) inkoharontes Gemisch

N e(x,t) = Σ a_ms_m|x)exp(lw_mt)

m - 1

von maximal N Supermoden der Form

s_m(.x)- Σ u(x-In-(N +1)/2| xc) 8ln(nmn/|N + 1» n = 1

In diesem Modell wird Phasenkopplung, verbundon mit dom Auftreten von Supermoden, durch schwache evaneszente Feldüberlappung benachbarter, hler (für alle N Arraykanäle) uniform vorausgesetzter Kanalfelder u(x) bewirkt. x_c ist der Kanalabstand.

Das Im folgenden angestrebte Ziel soll es nun sein, Kohärenz zu orzielen, also alle koexistierenden Supermoden zu unterdrücken bis auf einen, welcher möglichst wenig geschwächt werden sollte. Fixiert man also aus dieser Mannigfaltigkeit N einen bestimmten Supermode m zur Fernfeldglättung und selektiven Rückkopplung, so erfolgt im ersten Schritt die Anpassung der Phasenstruktur g (k) 2 zur Kompensation seiner Fernfeld-Phasenfläche. Das Fernfeld von S_n, (x) erhält man nach Fouriertransformation (durch die erste Linse)

s_m (k) - (IF *' u (k) f_m (k); f_m (k) - h_m (k) + (- 1F" hj- k)

h_m (k) a sin (n N [k xc - m/2 (N + 1 )])/sin h [k x_c - m/2 (N + 1)])

Die Phasenstruktur Ist in diesem Falle binär (mit den Phasen π und 0), die Phasensprungstellen sind die Nullstellen von s_m (k). Aufgrund der Wichtung der Kanäle α sin (n m n/(N + 1)) liegt sogar eine gitterähnliche PeriodizitSt vor, einmal abgesehen von der langsamveränderlichen Enveloppe u(k), welche erst in größerem Abstand von der Achse begrenzend wirksam wird. Die Fouriervariable k hängt mit der realen Längenausdehnung x_k = λ f_L k zusammen, wobei λ die Laserwellenlänge und f_L die Linsenbrennweite ist. Fig. 2 illustriert die Bestimmung der Phasensprungstellen f_m (k) - 0 (Kreuze) sowie die zugehörige binäre Phasenstruktur innerhalb einer Periode k Xc c [-1], und zwar für den ersten (m = 1) bzw. zehnten (m = 10) Supermode eines lO-Elemente-Arrays (N «= 10). Daraus kann der minimale Abstand benachbarter Phasensprungstellen verallgemeinernd mit Ak "»1/(N Xc) abgeschätzt werden, woraus sich der räumliche Abstand dieser zu Ax_k «· λ f_L/(N Xc) in der realen Phasenstruktur ergibt. Für ein Gaslaserarray mit λ » 10μιη und x_c «· 3mm bedeutet das bei einer Brennweite f_L1 = 3cm beispielsweise: Ax_k «· 100/Νμιη. Diese Abschätzung muß bei der Auswahl eines geeigneten Herstellungsverfahrens für die anzupassende Phasenstruktur berücksichtigt werden.

Die rückgekoppelten Arrayfelder S_n, (x) erhält man im 2. Schritt. Dieser beinhaltet u. a. die Selektion vermittels einer Blende 3 sowie die Rückkopplung ins Array nach Reflexion an einem ebenen oder Hohlspiegel 4. Der in Fig. 3 dargestellte Leistungsverlustkoeffizient Tp ist ein quantitatives Kriterium der Rückkopplungs- und Selektionsgüte. Wiederum auf ein Array 10 evaneszent gekoppelter Kanäle bezogen, erfolgte die Anpassung der Phasenstruktur auf den ersten bzw. zehnten Supermode wie schon in Fig. 2.

In Tp a 1 - P[S|/P(s) geht das Verhältnis der Leistungen P von rückgekoppelter und ausgekoppelter Foldverteilung ein, jeweils auf einen einzelnen Supermode m bezogen. In Abhängigkeit von der Blendengröße, welche in Fig. 3 die auf die Arraygröße bezogenen Werte von 0,5 (+), 1(»), 1,5 (x) und 2 (o) annimmt, sind somit nach der Rückkopplung die Supermode-Amplituden a_m in s (x, t) in erster Näherung mit den entsprechenden Werten 1 - Tp zu multiplizieren, wenn von Feldüberlappungseffekten abgesehen wird. Deutlich sichtb?· "ird eine Bevorzugung des (ersten) Supermodes, auf den die Phasenstruktur angepaßt wurde, was einer Seioktion gleichkommt bzw. effektiv einer (weiteren) Aufspaltung der Laserschwellenwerte der einzelnen Supermoden. Im Falle von Auskopplung an einem (nichtselektiven) Rückkoppelspiegel, welche sich für den fernfeldgeglätteten und damit am Spiegel fokussierten Supermode geradezu anbietet, wären die a_m mit einem weiteren (uniformen) Verkleinerungsfaktor zu versehen.

Claims

Anordnung zur Fernfeldglättung und selektiven Rückkopplung von Laserarrays unter Verwendung eines 4f-Aufbaus, dadurch gekennzeichnet, daß in dor Fourler-Ebene der Anordnung sich eine zur Kompensation der Phasenfläche des Arrayfeldes vorgesehene, der Struktur des ausgekoppelten Arrayfeldes angepaßte Phasenstruktur befindet.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zui Fornfeldglättung und selektiven Rückkopplung von Laserarrays unter Verwendung einen 4f-Aufbaus. Boi Laserarrays iit eine kohärente Kopplung der einzelnen Kanalfeldor dieser Arrays, eine sogenannte Phasenkopplung notwendig, urr. nr^nre Leistungen der kohärenten Arrayfeldor zu erzielen sowie diose Felder geeignet fokussieren zu könnon.