Полезная модель относится к оптике, а точнее к лазерным оптическим системам, предназначенным для применения в качестве источника излучения для обработки материалов, включая аддитивные технологии.The invention relates to optics, and more specifically to laser optical systems designed to be used as a radiation source for processing materials, including additive technologies.
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].Known patents describe the design of laser diode modules with a fiber output, which contain an optical system for matching arrays of laser diodes with optical fiber, including a collimating system of cylindrical lenses in two mutually perpendicular directions, a system of spatial redistribution of the beam and focusing the laser beam on the end of the optical fiber. Including as such an array, apply two-dimensional stacks of laser diodes [US 2015/0085370 A1 - date of publication March 26, 2015, US 2005/0063435 A1 - date of publication March 24, 2015], and also combine several arrays of laser diodes in the housing for semiconductor devices with three conclusions of the type of TO (from the English. "Transistor Outline Package") using a polarizing connection [US 2016/0322777 A1 - date of publication November 3, 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.The prototype of the proposed utility model is the design of a laser diode module [WO 2014/179345, B23K 26/342 - published date 04/29/2013], containing a one-dimensional array of laser diodes in a TO56 box mounted on a single base with ensuring co-directional radiation, cylindrical aspherical lenses for collimation radiation in the plane perpendicular to the pn junction of a semiconductor laser diode, a telescopic system of two cylindrical lenses in a plane parallel to the pn junction of semiconductor laser diodes composition laser beam, a micromirror or prism laser beam compression system, each of which works with a separate radiator in the array, also a single mirror at an angle of 45 degrees, deflecting the optical axis in the same section as the micromirror array or prisms, as well as lens to focus the composite laser beam on the end of the optical fiber. To increase the output optical power, the authors of the prototype propose to merge one-dimensional arrays in pairs with the displacement of one array relative to the other half of the element body to fill the gaps between adjacent laser beams in the array. Combining radiation from several arrays is carried out using prisms. The disadvantage of the proposed solution is a large number of optical elements, complicating the alignment of the optical system. In addition, the proposed method of combining pairwise one-dimensional arrays of emitters limits the output optical power of the device.
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.The task of the utility model is to reduce the number of optical elements, and, consequently, to simplify the alignment and assembly of the system. This task is solved by achieving a technical result, which consists in increasing the efficiency of the device. The technical result is achieved by using a two-dimensional array of laser diodes in a TO-type case as radiation sources, common for each row of emitters in a two-dimensional array of aspherical cylindrical lenses, providing beam collimation in the plane perpendicular to the pn junctions of semiconductor laser diodes, cylindrical lenses for collimation in the parallel plane pn transitions of semiconductor laser diodes, structurally combined into a monolithic lens with a period equal to the distance between sednja emitters, two monolithic stepped mirror array for sealing a single laser beam in mutually perpendicular cross-sections, and a lens for focusing the laser beam on the optical fiber end to a maximum diameter of the core of an optical fiber and an incident angle less than the numerical aperture.
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.The optical scheme of the proposed utility model is shown in figures in two sections: figure 1 is in the plane parallel to the p-n junction of semiconductor laser diodes, figure 2 is the plane perpendicular to the emission of laser diodes to demonstrate the progress of the laser beams after arrays of stepped mirrors. Here 1 is a single base for mounting laser diodes, 2 are laser diodes in a TO case, 3 are cylindrical lenses for collimating laser beams in a plane perpendicular to the emitter radiation plane, 4 is an array of cylindrical collimation lenses of laser beams parallel to the emitter radiation plane, combined into monolithic lens with a period equal to the distance between adjacent emitters, 5, 6 - monolithic stepped arrays of mirrors for compacting a single laser beam in two mutually orthogonal sections, 7 - focusing lens, 8 - an optical fiber.
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.The device works as follows: laser diode beams with asymmetrical characteristics in two mutually orthogonal directions are collimated by two cylindrical lenses for each individual radiator: the first aspherical lens collimates the laser beams in a plane perpendicular to the pn junction and has a focal length of not less than the distance it is recessed end of the emitting laser diode with respect to the upper edge of the housing; in this case, these lenses are structurally combined into a single th number of sources in an array of laser diodes, kollimiruschaya second cylindrical lens in a plane parallel to the plane of the p-n transition located orthogonally first cylindrical lens, the cylindrical lens, these structurally combined into a monolithic array with a periodic structure. After collimation, the laser beams fall on the first step mirror, each step of which corresponds to a separate row of sources in the array and refracts the optical axes of the laser beams by 90 degrees in the plane perpendicular to the pn junction, and the single laser beam in this direction becomes already, and the distribution of power in the beam is more uniform in this section. Next, the laser beam hits the second stepped mirror, which is orthogonal to the first mirror and compresses the beam in a plane parallel to the p – n junction. After compaction of the laser beam, radiation from laser diodes is introduced into the optical fiber with high efficiency using a spherical lens. The output optical power is scaled by increasing the number of individual laser diodes in the array and is proportional to the optical output power of a single emitter.
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%.The system is designed and experimentally tested for an array of 10 × 10 laser diodes (100 sources in total) with an optical output power of 1.6 W each, the total power of all the laser diodes is 160 W. After passing the laser beams through the collimating system, reflections from two arrays of mirrors and passing through the lens, which allows the laser beam to enter the multimode optical fiber, optical output of 148.5 W is registered at the device output, which corresponds to an optical system efficiency of 92.5%.
