RU2101743C1

RU2101743C1 - Collimating optical system for semiconductor laser

Info

Publication number: RU2101743C1
Application number: RU95100566A
Authority: RU
Inventors: Н.И. Бушмелев; В.Н. Кривошеин; С.Л. Погорельский; А.В. Сбродов; В.П. Тихонов
Original assignee: Конструкторское бюро приборостроения
Priority date: 1995-01-12
Filing date: 1995-01-12
Publication date: 1998-01-10
Also published as: RU95100566A

Abstract

FIELD: optical instrumentation engineering, collimating optical systems with refractory elements, systems of optical location, communication control, observation instruments. SUBSTANCE: collimating optical system for semiconductor laser 1 has objectives 2, 3 and groups 4, 5 of prisms positioned in sequence in paths of rays. Ribs of refractory dihedral angles of prisms 4, 5 are oriented in parallel to plane of semiconductor junction. Refractory angles of prisms 4, 5 are selected within limits 25-40 deg. Angular magnification Г of groups of prisms 4, 5 is chosen from following relation Г = θ_I/θ_II, where θ_II and θ_I are angles of divergence of radiation of semiconductor laser in planes correspondingly parallel and perpendicular to plane of semiconductor junction. Front focal plane of objective is displaced relative to object plane by distance δ₀ determined by relation δ₀= (a_II-Г•a_I)/(5/6•Г•θ_I-θ_II),, where a_II and a_I are dimensions of luminous body of semiconductor laser in planes parallel and perpendicular to plane of semiconductor junction correspondingly. Longitudinal spherical aberration δ(u) of objective is chosen from following relation δ(u) = -2/3•δ₀•(u/θ_I)², where u is aperture angle of objective. EFFECT: expanded application field, improved operational characteristics. 3 dwg

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению, точнее к коллимирующим оптическим системам с преломляющими элементами, и может быть использовано в системах оптической локации, оптической связи, управления и наблюдательных приборах. The invention relates to optical instrumentation, more specifically to collimating optical systems with refractive elements, and can be used in optical location systems, optical communications, control and monitoring devices.

Известна коллимирующая оптическая система для полупроводникового лазера, содержащая последовательно расположенные по ходу лучей положительный оптический компонент и цилиндрический оптический компонент, ось которого ориентирована параллельно плоскости полупроводникового перехода [1]
Недостатком указанной оптической системы является невозможность коррекции формы сечения и углового распределения интенсивности выходного пучка.Known collimating optical system for a semiconductor laser containing a sequentially located along the rays of the positive optical component and a cylindrical optical component, the axis of which is oriented parallel to the plane of the semiconductor transition [1]
The disadvantage of this optical system is the inability to correct the shape of the cross section and the angular distribution of the intensity of the output beam.

В дальней зоне, то есть на большом удалении от оптической системы, отсутствие осевой симметрии и неравномерность распределения интенсивности в сечении выходного пучка представляет серьезное неудобство при работе с коллимированным пучком. В ближней зоне, то есть вблизи оптической системы, отсутствие осевой симметрии в сечении выходного пучка приводит к неполному заполнению входного и выходного зрачков телескопической оптической системы, которая может устанавливаться после коллимирующей оптической системы и содержать штриховые метки, шкалы или сетки, проецируемые на бесконечность. Неполное заполнение зрачков приводит к ухудшению качества изображения. In the far zone, that is, at a great distance from the optical system, the absence of axial symmetry and uneven distribution of intensity in the cross section of the output beam is a serious inconvenience when working with a collimated beam. In the near zone, that is, near the optical system, the absence of axial symmetry in the cross section of the output beam leads to incomplete filling of the entrance and exit pupils of the telescopic optical system, which can be installed after the collimating optical system and contain line marks, scales or grids projected to infinity. Incomplete pupil filling leads to poor image quality.

Отсутствие осевой симметрии в сечении выходного пучка в ближней зоне связано с различной угловой расходимостью излучения полупроводникового лазера в двух взаимно перпендикулярных плоскостях параллельной и перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода. Отсутствие осевой симметрии в сечении выходного пучка в дальней зоне связана с тем, что тело свечения полупроводникового лазера имеет форму сильно вытянутого прямоугольника, большая сторона которого ориентирована параллельно плоскости полупроводникового перехода. The absence of axial symmetry in the output beam cross section in the near field is associated with different angular divergences of the semiconductor laser radiation in two mutually perpendicular planes of the parallel and perpendicular plane of the semiconductor junction. The absence of axial symmetry in the cross section of the output beam in the far zone is due to the fact that the luminous body of the semiconductor laser has the shape of a very elongated rectangle, the larger side of which is oriented parallel to the plane of the semiconductor junction.

Полупроводниковые лазеры, излучающие большую мощность в непрерывном режиме при комнатной температуре, относятся к лазерам на двойной гетероструктуре с полосковой геометрией. Для таких лазеров характерны значения угловой расходимости излучения по уровню

(в плоскостях, параллельной и перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода). Характерные размеры тела свечения

50 500 мкм (в зависимости от выходной мощности излучения P 0,5-5 Вт) и a_┴ 1 мкм (в плоскостях, параллельной и перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода) [3, 4, 5]
В указанной оптической системе ([1] фиг.7) форма сечения выходного пучка в дальней зоне может быть скорректирована действием цилиндрического компонента. Форма сечения выходного пучка в ближней зоне может быть скорректирована путем размещения цилиндрического компонента на таком расстоянии от положительного компонента, при котором размеры падающего на цилиндрический компонент светового пучка становятся одинаковыми в двух взаимно перпендикулярных плоскостях параллельной и перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода. Однако вследствие малой угловой расходимости светового пучка на выходе положительного компонента такой путь приводит к чрезмерному увеличению продольного габарита указанной оптической системы.Semiconductor lasers emitting high power in a continuous mode at room temperature are lasers based on a double heterostructure with strip geometry. Such lasers are characterized by the values of the angular divergence of radiation by level

(in planes parallel and perpendicular to the plane of the semiconductor junction). Characteristic dimensions of the glow body

50 500 μm (depending on the output radiation power P 0.5-5 W) and a _┴ 1 μm (in planes parallel and perpendicular to the plane of the semiconductor junction) [3, 4, 5]
In the specified optical system ([1] Fig. 7), the shape of the cross section of the output beam in the far zone can be corrected by the action of the cylindrical component. The cross sectional shape of the output beam in the near field can be corrected by placing the cylindrical component at a distance from the positive component, in which the dimensions of the light beam incident on the cylindrical component become the same in two mutually perpendicular planes of the parallel and perpendicular plane of the semiconductor junction. However, due to the small angular divergence of the light beam at the output of the positive component, this path leads to an excessive increase in the longitudinal dimension of the specified optical system.

Другим недостатком указанной оптической системы является использование цилиндрических линз, технологически сложных в изготовлении. Another disadvantage of this optical system is the use of cylindrical lenses, technologically difficult to manufacture.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой является коллимирующая оптическая система, содержащая последовательно расположенные по ходу лучей первый отрицательный оптический компонент, первую группу призм, положительный оптический компонент, вторую группу призм и второй отрицательный оптический компонент, в которой апертурный угол оптических компонентов выбирается в пределах 20^o-40^o, преломляющий угол призм выбирается в пределах 10^o-40^o, а угол β ориентации призм по отношению к оптической оси связан с преломляющим углом a соотношением b = (2-3)•α [2]
Как следует из описания, наиболее эффективным является применение указанной оптической системы для коллимирования излучения полупроводниковых лазеров. При этом отпадает необходимость в первом отрицательном оптическом компоненте.The closest in technical essence to the claimed one is a collimating optical system containing the first negative optical component, the first group of prisms, the positive optical component, the second group of prisms and the second negative optical component, in which the aperture angle of the optical components is selected within 20 ^{^o} -40 ^o, the prisms refracting angle selected in the range of 10 ^{^o} -40 ^o, and the orientation angle β of the prisms relative to the optical axis is connected with a refracting angle with elations b = (2-3) • α [2]
As follows from the description, the most effective is the use of the indicated optical system for collimating the radiation of semiconductor lasers. This eliminates the need for a first negative optical component.

Недостатком указанной оптической системы в случае ее применения для полупроводниковых лазеров является невозможность коррекции формы сечения и углового распределения интенсивности выходного пучка, что связано с неудобством работы с коллимированным световым пучком и ухудшением качества изображения штриховых меток, шкал или сеток, проецируемых на бесконечность. The disadvantage of this optical system when applied to semiconductor lasers is the inability to correct the shape of the cross section and the angular distribution of the intensity of the output beam, which is associated with the inconvenience of working with a collimated light beam and the deterioration of the image quality of dashed marks, scales or grids projected to infinity.

В указанной оптической системе форма сечения выходного пучка в ближней зоне может быть скорректирована действием первой группы призм. Однако в дальней зоне форма сечения выходного пучка не может быть скорректирована действием второй группы призм, так как для этого во второй группе призм необходимо обеспечить угловое увеличение

, а типичное угловое увеличение одной призмы в указанной оптической системе составляет 0,5-1,5 ([2] фиг.6). Увеличение количества призм в одной группе более 5 является практически неприемлемым.In the indicated optical system, the shape of the cross section of the output beam in the near field can be corrected by the action of the first group of prisms. However, in the far zone, the shape of the cross section of the output beam cannot be corrected by the action of the second group of prisms, since for this it is necessary to provide an angular increase in the second group of prisms

and a typical angular increase of one prism in the specified optical system is 0.5-1.5 ([2] Fig.6). An increase in the number of prisms in one group of more than 5 is almost unacceptable.

Кроме того, так как в указанной оптической системе проходящие через призмы световые пучки имеют большую апертуру, в выходной пучок вносятся большие аберрационные искажения, которые сами по себе приводят к нарушению осевой симметрии выходного пучка. In addition, since light beams passing through prisms have a large aperture, large aberration distortions are introduced into the output beam, which in themselves lead to a violation of the axial symmetry of the output beam.

Технической задачей изобретения является обеспечение коррекции формы сечения выходного пучка одновременно в ближней и дальней зоне, то есть вблизи оптической системы и на большом расстоянии от нее, а также обеспечение коррекции распределения интенсивности в сечении выходного пучка в дальней зоне. An object of the invention is to provide correction of the shape of the cross section of the output beam simultaneously in the near and far zone, that is, close to the optical system and at a large distance from it, as well as providing correction of the distribution of intensity in the cross section of the output beam in the far zone.

Технический результат достигается тем, что в коллимирующей оптической системе для полупроводникового лазера, содержащей последовательно расположенные по ходу лучей объектив и группу призм, ребра преломляющих двугранных углов призм ориентированы параллельно плоскости полупроводникового перехода, преломляющие углы призм выбираются в пределах 25-40^o, угловое увеличение Г группы призм выбирается из следующего соотношения:

где

углы расходимости излучения полупроводникового лазера по уровню 0,5 в плоскостях, параллельной и перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода соответственно, передняя фокальная плоскость объектива смещена относительно предметной плоскости на расстояние δ₀, определяемое соотношением:

где

размеры тела свечения полупроводникового лазера в плоскостях, параллельной и перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода соответственно, а продольная сферическая аберрация δ(u) объектива выбирается из следующего соотношения:
δ(u) = -2/3δ_o•(u/θ_┴)²,
где U апертурный угол объектива,
δ расстояние от передней фокальной плоскости объектива до предметной плоскости,
q_┴ угол расходимости излучения полупроводникового лазера по уровню 0,5 в плоскости, перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода.The technical result is achieved in that in a collimating optical system for a semiconductor laser containing a lens and a group of prisms sequentially located along the rays, the edges of the refracting dihedral angles of the prisms are oriented parallel to the plane of the semiconductor transition, the refracting angles of the prisms are selected within 25-40 ^o , the angular increase prism groups is selected from the following relation:

Where

the divergence angles of the radiation of a semiconductor laser at a level of 0.5 in the planes parallel and perpendicular to the plane of the semiconductor junction, respectively, the front focal plane of the lens is offset relative to the subject plane by a distance δ ₀ defined by the relation:

Where

the dimensions of the luminous body of the semiconductor laser in planes parallel and perpendicular to the plane of the semiconductor junction, respectively, and the longitudinal spherical aberration δ (u) of the lens is selected from the following relation:
δ (u) = -2 / 3δ _o • (u / θ _┴ ) ² ,
where U is the aperture angle of the lens,
δ distance from the front focal plane of the lens to the subject plane,
q _{is the} angle of divergence of the radiation of a semiconductor laser at a level of 0.5 in a plane perpendicular to the plane of the semiconductor junction.

Коррекция формы сечения выходного пучка в ближней и дальней зоне обеспечивается соответственно действием группы призм и небольшой дефокусировкой объектива, а коррекция распределения интенсивности в сечении выходного пучка в дальней зоне обеспечивается действием сферической аберрации объектива. Correction of the shape of the cross section of the output beam in the near and far zones is ensured by the action of a group of prisms and a slight defocusing of the lens, and the correction of the intensity distribution in the cross section of the output beam in the far zone is ensured by the action of spherical aberration of the lens.

На фиг. 1 показана коллимирующая оптическая система для полупроводникового лазера, поперечный разрез в плоскости, перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода, на фиг.2,а и 2,б ход осевого и крайних лучей светового пучка в двух сечениях параллельном и перпендикулярном плоскости полупроводникового перехода, на фиг.3 вариант коллимирующей оптической системы для нескольких полупроводниковых лазеров, поперечный разрез в плоскости, перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода. In FIG. 1 shows a collimating optical system for a semiconductor laser, a cross section in a plane perpendicular to the plane of the semiconductor junction, in FIGS. 2, a and 2, b the axial and extreme rays of the light beam in two sections parallel and perpendicular to the plane of the semiconductor junction, in figure 3 A variant of a collimating optical system for several semiconductor lasers, a transverse section in a plane perpendicular to the plane of the semiconductor junction.

Коллимирующая оптическая система для полупроводникового лазера (фиг.1) содержит последовательно расположенные объектив, установленный напротив полупроводникового лазера 1 и состоящий из линз 2 и 3, и призмы 4 и 5. Ребра двугранных углов, образованных преломляющими гранями призм 4 и 5, расположены перпендикулярно плоскости полупроводникового перехода. Углы между преломляющими гранями выполнены одинаковыми по величине в пределах 25-40^o. Входные грани призм установлены перпендикулярно падающему на них пучку, при этом угол отклонения лучей в призме 5 равен по величине и противоположен по знаку углу отклонения лучей в призме 4.The collimating optical system for the semiconductor laser (Fig. 1) contains a sequentially mounted lens mounted opposite the semiconductor laser 1 and consisting of lenses 2 and 3, and prisms 4 and 5. The edges of the dihedral angles formed by the refracting faces of prisms 4 and 5 are perpendicular to the plane semiconductor junction. The angles between the refracting faces are made the same in size within 25-40 ^o . The input faces of the prisms are set perpendicular to the beam incident on them, while the angle of deviation of the rays in prism 5 is equal in magnitude and opposite in sign to the angle of deviation of the rays in prism 4.

Коллимирующая оптическая система работает следующим образом. Сильно расходящийся световой пучок полупроводникового лазера преобразуется объективом в слабо расходящийся световой пучок, в ближней зоне, то есть в непосредственной близости от объектива, размеры пучка пропорциональны угловой расходимости излучения лазера. В дальней зоне, то есть на большом расстоянии от объектива, размеры пучка связаны с размером тела свечения полупроводникового лазера и расстоянием от тела свечения до передней фокальной плоскости объектива. The collimating optical system operates as follows. A strongly diverging light beam of a semiconductor laser is converted by the lens into a slightly diverging light beam, in the near zone, that is, in the immediate vicinity of the lens, the beam dimensions are proportional to the angular divergence of the laser radiation. In the far zone, that is, at a large distance from the lens, the beam sizes are related to the size of the luminous body of the semiconductor laser and the distance from the luminous body to the front focal plane of the lens.

50-500 мкм (в зависимости от выходной мощности излучения P 0,5-5 Вт) и a_┴ 1 мкм (в плоскостях, параллельной и перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода [3, 4, 5]
В соответствии с этим в ближней зоне вышедший из объектива световой пучок имеет большой размер в плоскости, перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода. В дальней зоне, наоборот, световой пучок имеет больший размер в плоскости, параллельной полупроводниковому переходу.Semiconductor lasers emitting high power in a continuous mode at room temperature are lasers based on a double heterostructure with strip geometry. Such lasers are characterized by the values of the angular divergence of radiation by level

50-500 μm (depending on the output radiation power P 0.5-5 W) and a _┴ 1 μm (in planes parallel and perpendicular to the plane of the semiconductor junction [3, 4, 5]
Accordingly, in the near zone, the light beam emerging from the lens has a large size in a plane perpendicular to the plane of the semiconductor junction. In the far zone, on the contrary, the light beam has a larger size in a plane parallel to the semiconductor junction.

Призмы 4 и 5 представляют собой телескопическую анаморфотную систему [6] В плоскости, параллельной плоскости полупроводникового перехода, призмы не изменяют размеры светового пучка ни в ближней, ни в дальней зоне. В плоскости, перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода, призмы трансформируют проходящий световой пучок таким образом, что его размер уменьшается в ближней зоне и увеличивается в дальней зоне. В результате на выходе призм формируется практически осесимметричный световой пучок. Prisms 4 and 5 are a telescopic anamorphic system [6] In a plane parallel to the plane of the semiconductor junction, prisms do not change the size of the light beam either in the near or in the far zone. In a plane perpendicular to the plane of the semiconductor junction, the prisms transform the transmitted light beam so that its size decreases in the near zone and increases in the far zone. As a result, an almost axisymmetric light beam is formed at the output of the prisms.

В плоскости, параллельной плоскости полупроводникового перехода, из-за большой ширины активного слоя лазер генерирует излучение на нескольких поперечных модах резонатора, в связи с этим угловое распределение интенсивности излучения лазера в этой плоскости приблизительно постоянно в пределах угла расходимости

. В плоскости, перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода, волноводный слой способен удерживать только одну низшую поперечную моду, и угловое распределение интенсивности излучения лазера в этой плоскости описывается гауссовой кривой с шириной θ_┴ по уровню 0,5 [3, 4, 5]
При отсутствии аберраций объектива распределение интенсивности в сечении выходного пучка в дальней зоне пропорционально распределению освещенности в передней фокальной плоскости объектива. В соответствии с вышеизложенным в плоскости, параллельной плоскости полупроводникового перехода, это распределение будет постоянным в пределах угла расходимости выходного пучка. В плоскости, перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода, это распределение будет описываться гауссовой кривой.In the plane parallel to the plane of the semiconductor junction, due to the large width of the active layer, the laser generates radiation at several transverse resonator modes, and therefore the angular distribution of the laser radiation intensity in this plane is approximately constant within the divergence angle

. In the plane perpendicular to the plane of the semiconductor junction, the waveguide layer is capable of retaining only one lower transverse mode, and the angular distribution of the laser radiation intensity in this plane is described by a Gaussian curve with a width of θ _┴ at a level of 0.5 [3, 4, 5]
In the absence of lens aberrations, the intensity distribution in the cross section of the output beam in the far zone is proportional to the distribution of illumination in the front focal plane of the lens. In accordance with the foregoing, in a plane parallel to the plane of the semiconductor junction, this distribution will be constant within the divergence angle of the output beam. In a plane perpendicular to the plane of the semiconductor junction, this distribution will be described by a Gaussian curve.

Сферическая аберрация объектива действует таким образом, что лучи от периферийных участков выходного зрачка объектива в дальней зоне испытывают смещение в сторону оптической оси. The spherical aberration of the lens acts in such a way that the rays from the peripheral sections of the exit pupil of the lens in the far zone experience a shift towards the optical axis.

В плоскости, параллельной плоскости полупроводникового перехода, апертура падающего на объектив пучка мала, поэтому сферическая аберрация незначительна и практически не искажает распределение интенсивности в сечении выходного пучка, которое остается постоянным в пределах угла расходимости. В плоскости, перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода, положительная сферическая аберрация приводит к перераспределению интенсивности в сечении выходного пучка от периферийных участков сечения в центральную его часть. В результате в центральной части сечения выходного пучка в дальней зоне формируется практически постоянное распределение интенсивности. In the plane parallel to the plane of the semiconductor junction, the aperture of the beam incident on the lens is small; therefore, the spherical aberration is insignificant and practically does not distort the intensity distribution in the output beam cross section, which remains constant within the divergence angle. In the plane perpendicular to the plane of the semiconductor junction, positive spherical aberration leads to a redistribution of intensity in the output beam section from the peripheral sections of the section to its central part. As a result, an almost constant intensity distribution is formed in the central part of the output beam cross section in the far zone.

На фиг. 2,а и 2,б показаны: H и H'- передняя и задняя главные плоскости объектива; G и G'- плоскости входного и выходного зрачков призменной системы (предполагается, что выходной зрачок расположен на выходной грани последней призмы); F передний фокус объектива; E центр тела свечения; A, B, C, D - крайние точки тела свечения; EE₁E₂E₃, EE₄E₅E₆ нулевой и осевой лучи; AA₁A₂A₃, BB₁B₂B₃, CC₁C₂C₃, DD₁D₂D₃ лучи, определяющие границы светового пучка в дальней зоне.In FIG. 2a and 2b show: H and H'- front and rear main planes of the lens; G and G'- planes of the entrance and exit pupils of the prism system (it is assumed that the exit pupil is located on the exit face of the last prism); F front focus of the lens; E is the center of the body of the glow; A, B, C, D - extreme points of the body of the glow; EE ₁ E ₂ E ₃ , EE ₄ E ₅ E ₆ zero and axial rays; AA ₁ A ₂ A ₃ , BB ₁ B ₂ B ₃ , CC ₁ C ₂ C ₃ , DD ₁ D ₂ D ₃ beams defining the boundaries of the light beam in the far zone.

Введем обозначения:

Г угловое увеличение группы призм,
δ(u) продольная сферическая аберрация объектива,
I(u), J(v) угловое распределение интенсивности лазерного пучка и выходного пучка в плоскости, перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода.We introduce the following notation:

G angular increase in the group of prisms,
δ (u) the longitudinal spherical aberration of the lens,
I (u), J (v) the angular distribution of the intensity of the laser beam and the output beam in a plane perpendicular to the plane of the semiconductor junction.

Для осевого пучка имеем следующие соотношения:
I(u)•d(u)=J(v)•dv (1)
u-u•(f-δ₀)/(f+δ(u)) v/Г (2)
Гауссова функция I(u) аппроксимируется квадратичной зависимостью:
I(u) = I_o•(1-2(u)/θ_┴)²) (3)
При -1,2θ_┴ < u < 1,2•θ_┴ точность такой аппроксимации ±5% что достаточно для большинства практических применений.For the axial beam, we have the following relations:
I (u) • d (u) = J (v) • dv (1)
uu • (f-δ ₀ ) / (f + δ (u)) v / Г (2)
The Gaussian function I (u) is approximated by a quadratic dependence:
I (u) = I _o • (1-2 (u) / θ _┴ ) ² ) (3)
For -1.2θ _┴ <u <1.2 • θ _{┴, the} accuracy of such an approximation is ± 5%, which is sufficient for most practical applications.

Условие постоянства углового распределения интенсивности выходного пучка J(v) J₀ const. При этом условии из (1)-(3) с учетом того, что δ₀, δ(u) ≪ f получаем соотношение:

Для крайних лучей пучка имеем следующие соотношения:

θ_┴-(θ_┴•(f-δ_o)-a_┴)/(f+δ(θ_┴/2)) = W_┴/Г, (8)
Условие осевой симметрии выходного пучка в ближней и дальней зоне

. При этом условии из (4)-(8) с учетом того, что a, a << f и

, получаем соотношения:

Для указанных выше характеристик значений O, O, d, d, а соответствующие значения Г 2,5-5, δ₀ 0,015-0,5 мм, δ(θ/2) = -(0,003-0,1)мм.
Угловое увеличение Г группы призм связано с преломляющим углом α призм и показателем преломления n стекла призмы следующим соотношением (6):
Г = (1-(sinα)²)/(1-(nsinα)²), (11)
Для указанных значений Г и типичных значений n 1,5-1,7 соответствующие значения α лежат в пределах 25-40^o.The condition for the constancy of the angular distribution of the intensity of the output beam J (v) J ₀ const. Under this condition, from (1) - (3), taking into account the fact that δ ₀ , δ (u) ≪ f, we obtain the relation:

For the extreme rays of the beam, we have the following relations:

θ _┴ - (θ _┴ • (f-δ _o ) -a _┴ ) / (f + δ (θ _┴ / 2)) = W _┴ / Г, (8)
The condition of axial symmetry of the output beam in the near and far zone

. Under this condition, from (4) - (8), taking into account that a, a << f and

, we obtain the relations:

For the above characteristics, the values are O, O, d, d, and the corresponding values of Г are 2.5-5, δ ₀ 0.015-0.5 mm, δ (θ / 2) = - (0.003-0.1) mm.
The angular increase Γ of the prism group is related to the refracting angle α of the prisms and the refractive index n of the prism glass by the following relation (6):
G = (1- (sinα) ² ) / (1- (nsinα) ² ), (11)
For the indicated values of G and typical values of n 1.5-1.7, the corresponding values of α lie in the range of 25-40 ^o .

Коллимирующая оптическая система может быть использована для получения осесимметричного светового пучка от нескольких полупроводниковых лазеров. Вариант такой системы для двух лазеров содержит объективы, состоящие из линз 2, 3 и 5, 6, расположенные напротив полупроводниковых лазеров 1 и 4, и призмы 7, 8 (фиг. 3). Оптические оси объективов параллельны друг другу и лежат в одной плоскости, перпендикулярной преломляющим граням призмы 7, 8. В остальном оптическая система для двух лазеров аналогична такой системе для одного лазера. Отличие состоит только в том, что в плоскости, перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода, размер входящего в группу призм светового пучка увеличивается в два раза, так как объединяются два световых пучка от лазеров 1 и 4. A collimating optical system can be used to obtain an axisymmetric light beam from several semiconductor lasers. A variant of such a system for two lasers contains lenses consisting of lenses 2, 3 and 5, 6, located opposite the semiconductor lasers 1 and 4, and prisms 7, 8 (Fig. 3). The optical axes of the lenses are parallel to each other and lie in the same plane perpendicular to the refracting faces of the prism 7, 8. Otherwise, the optical system for two lasers is similar to that for a single laser. The only difference is that in the plane perpendicular to the plane of the semiconductor junction, the size of the light beam entering the group of prisms doubles, since two light beams from lasers 1 and 4 are combined.

В коллимирующей оптической системе для нескольких полупроводниковых лазеров соотношения (4) (6) остаются справедливыми, если только левую часть соотношения (6) умножить на N количество полупроводниковых лазеров. Из условия симметричности выходного пучка в ближней зоне получаем соотношение:

Для указанных выше характерных значений

и N 2 соответствующие значения Г 5 10, δ 0,006 0,25 мм, d(θ_┴/2) = -(0,001-0,005)мм.
Таким образом, предлагаемая коллимирующая оптическая система позволяет получить практически осесимметричный световой пучок с постоянным угловым распределением интенсивности в расходимости как от одного, так и от нескольких полупроводниковых лазеров.In a collimating optical system for several semiconductor lasers, relations (4) (6) remain valid if only the left side of relation (6) is multiplied by N the number of semiconductor lasers. From the condition of symmetry of the output beam in the near field, we obtain the relation:

For the above characteristic values

and N 2 the corresponding values of G 5 10, δ 0.006 0.25 mm, d (θ _┴ / 2) = - (0.001-0.005) mm.
Thus, the proposed collimating optical system makes it possible to obtain an almost axisymmetric light beam with a constant angular distribution of intensity in the divergence from one or several semiconductor lasers.

Источники информации
1. Патент ЕР N 0100242, кл. 6 G O1 B 13/00, H OI S 3/00, 1983.Sources of information
1. Patent EP N 0100242, CL 6 G O1 B 13/00, H OI S 3/00, 1983.

2. Авторское свидетельство СССР N 1624392, кл. 6 G O2 B 27/30, 1991. 2. USSR author's certificate N 1624392, cl. 6 G O2 B 27/30, 1991.

3. Справочник по лазерной технике./Под ред. проф. А.П.Напартовича. М. Энергоиздат, 1991, с. 139. 3. Handbook of laser technology./ Ed. prof. A.P. Napartovich. M. Energy Publishing House, 1991, p. 139.

4. Э. В. Аржанов, А. П.Богатов, В.П.Коняев, О.М.Никитина, В.И.Швейкин. Волноводные свойства гетеролизеров. "Квантовая электроника", 1994, т. 21(7), с. 633. 4. E.V. Arzhanov, A.P. Bogatov, V.P. Konyaev, O.M. Nikitina, V.I. Shveikin. Waveguide properties of heterolizers. "Quantum Electronics", 1994, v. 21 (7), p. 633.

5. Laser diode product catalog. Spektra Diode Labs, 1993. 5. Laser diode product catalog. Spektra Diode Labs, 1993.

6. Вычислительная оптика. Справочник./Под общ. ред. проф. М.М.Русинова. 6. Computing optics. Reference. / Under the general. ed. prof. M.M. Rusinova.

Л. Машиностроение, 1984, с. 217. L. Mechanical Engineering, 1984, p. 217.

Claims

A collimating optical system for a semiconductor laser containing a lens and a group of prisms sequentially arranged along the rays, characterized in that the edges of the refracting dihedral angles of the prisms are oriented parallel to the plane of the semiconductor transition, the refracting angles of the prisms are selected within 25 40 ^o , the angular increase G of the group of prisms is selected from the following ratio:

Where

the divergence angles of the radiation of a semiconductor laser at a level of 0.5 in planes parallel and perpendicular to the plane of the semiconductor junction, respectively, the front focal plane of the lens is offset relative to the object plane by a distance δ _o defined by the ratio

Where

the dimensions of the luminous body of the semiconductor laser in planes parallel and perpendicular to the plane of the semiconductor junction, respectively, and the longitudinal spherical aberration δ (u) of the lens is selected from the following relation:
δ (u) = -2 / 3S _o • (u / θ _┴ ) ² ,
where U is the aperture angle of the lens;
S _o > the distance from the front focal plane of the lens to the subject plane;
θ _┴ is the angle of divergence of the radiation of a semiconductor laser at a level of 0.5 in a plane perpendicular to the plane of the semiconductor junction.