DD297039A5 - ARRANGEMENT FOR FIELD-LIGHT GLAUTION AND SELECTIVE BACK-COUPLING OF LASERARRAYS - Google Patents

ARRANGEMENT FOR FIELD-LIGHT GLAUTION AND SELECTIVE BACK-COUPLING OF LASERARRAYS Download PDF

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DD297039A5 DD32706689A DD32706689A DD297039A5 DD 297039 A5 DD297039 A5 DD 297039A5 DD 32706689 A DD32706689 A DD 32706689A DD 32706689 A DD32706689 A DD 32706689A DD 297039 A5 DD297039 A5 DD 297039A5
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Michael Arnz
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Friedrich-Schiller-Universitaet Jena,De
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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}Arrangement for far-field glazing and selective feedback of laser arrays. The arrangement is suitable, even with closely adjacent channels with strong structuring, as z. As is the case with gas laser arrays, to achieve a usable far-field smoothness. This can be achieved by using a 4f design by locating a phase structure in the Fourier plane of the array to compensate for the phase field of the array field, adapted to the structure of the coupled array field. Far field; Smoothing; Phasenflaechenkompensation; Fourier plane; Phase structure}

Description

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Zur Nahfeldkompression von Halbleiter-Laserarrays ist ein Verfahren bekannt geworden. Dabei erfolgt eine optische Abbildung dos Laserarrayfeldes auf die periodische Phasenstruktur eines binären Gitters.For near field compression of semiconductor laser arrays, a method has become known. In this case, an optical image of the laser array field takes place on the periodic phase structure of a binary grating.

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.It is known that by applying a binary grid a single fold or even localized field can be spatially amplified. In reverse, when specifying a type of duplication, d. H. Assuming that the array field is a spatial replication of the field of a single array channel, using the binary grid, a coherent superposition of the localized channel fields into a single localized field, using a 4f construction.

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.The described method has a number of disadvantages. The limitation to binary grating structures in semiconductor laser arrays has the disadvantage that an interpretation of the array field is carried out as a grating spectrum. In a first approximation, this condition only applies if the widths of the individual channels of the respective array can be considered large in relation to their distances from each other and if, moreover, it is an equidistant arrangement of the individual channels. In addition, there are the limitations that, on the one hand, the field profile within each channel is fixed to the shape of the diffraction peaks of the binary grating and, on the other hand, diffraction peaks of mostly low intensity at locations which are not characteristic of the presence of channels, ie have to be neglected outside the array.

Außerdem ist eine gewisse Willkür bei der Anpassung der Gitterfeinstruktur, also der Gitterstruktur innerhalb einer Periode, nicht auszuschließen.In addition, a certain arbitrariness in the adaptation of the lattice fine structure, so the lattice structure within a period, can not be excluded.

Ziel der ErfindungObject of the invention

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.The aim of the invention is, compared to the known Vcrfahron simple, universal and relatively easy to adjust method for far field smoothing, which ensures maximum phase smoothing and thus compression.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

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.The invention has for its object to find a method that make the necessary in the application of semiconductor laser arrays preconditions and restrictions, in particular the need to interpret the array as a diffraction spectrum of a binary grid, superfluous and, for example, for gas laser scrarrays with tight adjacent, highly structured channels is applicable.

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.The solution of this object is achieved with an arrangement for far-field smoothing and selective feedback of laser arrays using a 4 f structure according to the invention characterized in that in the Fourior-level of the arrangement is provided for compensating the phase surface of the array field, the structure of the decoupled array field adapted phase structure located.

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.The concrete spatial structure of the decoupled array fields depends i.A. from the array geometry and the experimental conditions of the laser process and can be measured experimentally or theoretically calculated. Consequently, if one considers the manifold of possible array fields as given and selects one of them, a Fourier transformation of this field first takes place. If there is an (anti) symmetric field, the Fourier transform is pure (imaginary) real, and the smoothing to be achieved with the phase structure can be such that the zeroes of the Fourier transforms are determined and there the jumps of the ones in that Trap binary phase structure can be localized. This corresponds to an adaptation of the phase structure to this fixed far field of the array and is connected after further Fourier transformation of the smoothed far field with maximum possible compression.

Ausfuhrungsbeispielexemplary

Das Wesen der Erfindung soll an einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigenThe essence of the invention will be explained in more detail in an embodiment shown in the drawing. Show it

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.Fig. 1: 4 f structure with array 1, phase structure 2, Solektionsblende 3 and feedback mirror 4 Fig. 2: Graphical determination of the jumps of the phase structure Fig.3: power loss coefficient of the feedback into the 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 GemischAn already existing weak phase coupling should be stabilized. The field distribution s (x, t) decoupled from an array 1 is thus given as a (temporally) incoherent mixture

N e(x,t) = Σ amsm|x)exp(lwmt)N e (x, t) = Σ a m s m | x) exp (lw m t)

m - 1m - 1

von maximal N Supermoden der Formof a maximum of N supermodels of the form

sm(.x)- Σ u(x-In-(N +1)/2| xc) 8ln(nmn/|N + 1» n = 1s 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. xc ist der Kanalabstand.In this model, phase coupling, verbundon with dom occurrence of supermodes, is effected by weak evanescent field overlap of adjacent, uniformly (for all N array channels) uniformly assumed channel fields u (x). x c is the channel spacing.

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 Sn, (x) erhält man nach Fouriertransformation (durch die erste Linse)The goal pursued in the following should now be to aim for coherence, ie to suppress all coexisting supermodes, except for one which should be weakened as little as possible. Thus, if one fixes a particular supermode m for far-field smoothing and selective feedback from this manifold N, the phase structure g (k) 2 is adjusted in the first step to compensate for its far-field phase surface. The far field of S n , (x) is obtained after Fourier transformation (through the first lens)

sm (k) - (IF *' u (k) fm (k); fm (k) - hm (k) + (- 1F" hj- k)s m (k) - (IF * 'u (k) f m (k); f m (k) - h m (k) + (- 1F "hj- k)

hm (k) a sin (n N [k xc - m/2 (N + 1 )])/sin h [k xc - m/2 (N + 1)])h m (k) a sin (n N [k xc-m / 2 (N + 1)]) / sin h [kx c -m / 2 (N + 1)])

Die Phasenstruktur Ist in diesem Falle binär (mit den Phasen π und 0), die Phasensprungstellen sind die Nullstellen von sm (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 xk = λ fL k zusammen, wobei λ die Laserwellenlänge und fL die Linsenbrennweite ist. Fig. 2 illustriert die Bestimmung der Phasensprungstellen fm (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 Axk «· λ fL/(N Xc) in der realen Phasenstruktur ergibt. Für ein Gaslaserarray mit λ » 10μιη und xc «· 3mm bedeutet das bei einer Brennweite fL1 = 3cm beispielsweise: Axk «· 100/Νμιη. Diese Abschätzung muß bei der Auswahl eines geeigneten Herstellungsverfahrens für die anzupassende Phasenstruktur berücksichtigt werden.The phase structure is in this case binary (with the phases π and 0), the phase jumps are the zeros of s m (k). Due to the weighting of the channels α sin (nmn / (N + 1)), even a lattice-like periodicity is present, apart from the slowly changing envelope u (k), which becomes limiting only at a greater distance from the axis. The Fourier variable k is related to the real length extension x k = λ f L k, where λ is the laser wavelength and f L is the lens focal length. FIG. 2 illustrates the determination of the phase jump points f m (k) - 0 (crosses) and the associated binary phase structure within a period k Xc c [-1], for the first (m = 1) and tenth (m = 10) Supermode of a 10-element array (N «= 10). From this, the minimum distance between adjacent phase jump points can be estimated in general terms as Ak "» 1 / (N Xc), which results in the spatial distance of these to Ax k "· λ f L / (N Xc) in the real phase structure λ »10μιη and x c « · 3mm means at a focal length f L 1 = 3cm, for example: Ax k · · 100 / Νμιη This estimation must be taken into account when selecting a suitable manufacturing method for the phase structure to be adapted.

Die rückgekoppelten Arrayfelder Sn, (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.The feedback array fields S n , (x) are obtained in the second step. This includes, inter alia, the selection by means of a diaphragm 3 and the feedback into the array after reflection at a plane or concave mirror 4. The power loss coefficient Tp shown in Fig. 3 is a quantitative criterion of the feedback and selection quality. Again related to an array of evanescent coupled channels, the phase structure was adapted to the first and tenth supermode, respectively, as 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 am 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 am mit einem weiteren (uniformen) Verkleinerungsfaktor zu versehen.In Tp a 1 -P [S | / P (s), the ratio of the powers P of the feedback and decoupled fold distributions, in each case based on a single supermode m, is included. Depending on the aperture size, which in Fig. 3 assumes the array size related values of 0.5 (+), 1 (»), 1.5 (x), and 2 (o), then, after the feedback, the supermode In a first approximation, multiply a m in s (x, t) by multiplying it by the corresponding values 1 - Tp, if we omit field overlap effects. Clearly, a preference for the (first) supermode to which the phase structure has been adapted corresponds to a seioction or to a (further) splitting of the laser supermysms of the individual supermodes, in the case of decoupling at a (nonselective) feedback mirror, which offers itself for the far-field-smoothed and therefore mirror-focused supermode, the a m should be provided with a further (uniform) reduction factor.

Claims (1)

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.Arrangement for far-field smoothing and selective feedback of laser arrays using a 4f structure, characterized in that in the Fourler plane of the arrangement is provided for compensating the phase surface of the array field, adapted to the structure of the decoupled array array phase structure. Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention 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.The invention relates to an array for flat field smoothing and selective feedback of laser arrays using a 4f construction. Boi laser arrays with a coherent coupling of the individual Kanalfeldor of these arrays, a so-called phase coupling necessary, urr. It is not possible to achieve the coherent array array performance and to be able to focus the fields appropriately.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE19811032B4 (en) * 1997-03-17 2007-10-25 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. laser system

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