RU2390811C1 - Optical system for semiconductor lasers - Google Patents
Optical system for semiconductor lasers Download PDFInfo
- Publication number
- RU2390811C1 RU2390811C1 RU2008140203/28A RU2008140203A RU2390811C1 RU 2390811 C1 RU2390811 C1 RU 2390811C1 RU 2008140203/28 A RU2008140203/28 A RU 2008140203/28A RU 2008140203 A RU2008140203 A RU 2008140203A RU 2390811 C1 RU2390811 C1 RU 2390811C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plane
- radiation
- channels
- component
- prisms
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к оптическим системам, коллимирующим излучение лазерного пучка с одновременной анаморфотной коррекцией формы поперечного сечения и углового распределения интенсивности лазерного пучка, а также суммирующим излучение двух или более полупроводниковых (далее - п/п) лазеров на одной оптической оси, и может быть использовано в системах оптической локации, оптической связи, управления и др.The invention relates to the field of optical instrumentation, and in particular to optical systems that collimate laser beam radiation with simultaneous anamorphic correction of the cross-sectional shape and angular distribution of the laser beam intensity, and also summarizes the radiation of two or more semiconductor (hereinafter, p / n) lasers on one optical axis, and can be used in optical location systems, optical communications, control, etc.
Преимущества п/п лазеров перед другими лазерами - небольшие вес и габариты, значительно более высокий КПД, что не требует громоздких систем охлаждения, простота систем питания и накачки, импульсный и непрерывный режимы работы, возможность прямой модуляции электрическим током с высокой частотой, широкий диапазон рабочих длин волн, механическая надежность и большой срок службы и т.д.[1].Advantages of p / p lasers over other lasers are small weight and dimensions, significantly higher efficiency, which does not require bulky cooling systems, simplicity of power supply and pumping systems, pulsed and continuous modes of operation, the possibility of direct modulation by electric current with a high frequency, a wide range of working wavelengths, mechanical reliability and long service life, etc. [1].
Для п/п лазеров, излучающих большую мощность в непрерывном режиме при комнатной температуре, характерные значения угловой расходимости излучения δ по уровню 0.5 в плоскости, параллельной и перпендикулярной плоскости п/п перехода, равны соответственно:For p / p lasers emitting high power in the continuous mode at room temperature, the characteristic values of the angular divergence of radiation δ at a level of 0.5 in a plane parallel and perpendicular to the plane of the p / p transition are, respectively:
Характерные размеры тела свечения лазера в соответствующих плоскостях равны:The characteristic dimensions of the laser glow body in the corresponding planes are:
Различная угловая расходимость излучения и различные размеры тела свечения в плоскости, параллельной и перпендикулярной плоскости п/п перехода, приводят к тому, что в коллимированном объективом пучке отсутствует осевая симметрия пучка как в ближней зоне, т.е. непосредственно за объективом, так и в дальней зоне, т.е. на большом расстоянии от объектива.Different angular divergences of the radiation and different sizes of the luminous body in the plane parallel and perpendicular to the plane of the p / n junction lead to the absence of axial symmetry of the beam in the beam collimated by the lens as in the near field, i.e. directly behind the lens and in the far zone, i.e. at a great distance from the lens.
В ближней зоне поперечные размеры пучка пропорциональны угловым расходимостям излучения δ∥ и δ⊥ в соответствующих плоскостях, и сечение пучка представляет собой эллипс, вытянутый в плоскости, перпендикулярной плоскости п/п перехода.In the near zone, the transverse dimensions of the beam are proportional to the angular divergences of the radiation δ ∥ and δ ⊥ in the corresponding planes, and the beam cross section is an ellipse elongated in a plane perpendicular to the plane of the p / n junction.
В дальней зоне поперечные размеры пучка связаны с размерами тела свечения а∥ в плоскости, параллельной плоскости п/п перехода, и наличием остаточной сферической аберрации и расфокусировки объектива в плоскости, перпендикулярной плоскости п/п перехода.In the far zone, the transverse dimensions of the beam are related to the dimensions of the luminous body a ∥ in a plane parallel to the plane of the p / n junction and the presence of residual spherical aberration and defocusing of the lens in a plane perpendicular to the plane of the p / j junction.
Излучение п/п лазеров линейно поляризовано преимущественно в плоскости п/п перехода (тип поляризации излучения - ТЕ) и реже поляризовано в плоскости, перпендикулярной п/п переходу (тип поляризации излучения - ТМ).The radiation of p / p lasers is linearly polarized mainly in the plane of the p / p transition (type of radiation polarization - TE) and less often polarized in the plane perpendicular to the p / p transition (type of polarization of radiation - TM).
Известна оптическая система [2], содержащая последовательно расположенные по ходу лучей сферический оптический компонент и цилиндрический оптический компонент, коллимирующие и корректирующие форму поперечного сечения пучка излучения п/п лазера в дальней зоне. Недостатком этой системы является использование цилиндрических линз для анаморфотной коррекции формы пучка, технически сложных в изготовлении, и большой продольный габарит системы.A known optical system [2], containing a spherical optical component and a cylindrical optical component sequentially located along the rays, collimating and correcting the cross-sectional shape of the radiation beam of the p / p laser in the far zone. The disadvantage of this system is the use of cylindrical lenses for anamorphic beam shape correction, technically difficult to manufacture, and the large longitudinal dimension of the system.
Известна коллимирующая оптическая система для п/п лазеров [3], содержащая последовательно расположенные по ходу лучей объективы, установленные напротив п/п лазеров, оптические оси которых параллельны друг другу и лежат в одной плоскости, и группу преломляющих призм, общую для всех лазеров. Ребра преломляющих двугранных углов призм ориентированы параллельно плоскостям п/п переходов, при этом для четных и нечетных по ходу лучей призм они расположены по разные стороны относительно оптической оси лазерного пучка. Действие призм сводится к уменьшению поперечного размера каждого пучка в плоскости, перпендикулярной ребрам двугранных углов призм, и суммированию излучения всех пучков в один мощный пучок небольшой угловой расходимости.Known collimating optical system for p / p lasers [3], containing sequentially located along the rays of the lens, mounted opposite p / p lasers, the optical axes of which are parallel to each other and lie in the same plane, and a group of refractive prisms common to all lasers. The edges of the refracting dihedral angles of the prisms are oriented parallel to the planes of the p / n junctions, while for even and odd along the rays of the prisms they are located on different sides relative to the optical axis of the laser beam. The action of prisms reduces to reducing the transverse size of each beam in a plane perpendicular to the edges of the dihedral angles of the prisms, and summing the radiation of all the beams into one powerful beam of small angular divergence.
Однако увеличивается и размер поперечного сечения пучка, т.к. пучки от каждого лазера не накладываются друг на друга, а располагаются рядом друг с другом, что приводит к увеличению габаритов последующих компонентов оптической системы.However, the size of the beam cross section also increases, since the beams from each laser do not overlap each other, but are located next to each other, which leads to an increase in the dimensions of subsequent components of the optical system.
Известна система [4] вывода излучения двух п/п лазеров на единую оптическую ось, выполненная в виде поляризационного кубика. Линейно поляризованное излучение обоих лазеров, плоскости п/п переходов которых взаимно ортогональны, попадая на поляризационое покрытие кубика, выполненное на гипотенузной склеиваемой грани, попеременно выводится на одну оптическую ось с целью формирования оптического поля для телеориентирования управляемых объектов.A known system [4] output radiation of two p / p lasers on a single optical axis, made in the form of a polarizing cube. The linearly polarized radiation of both lasers, the half-plane of the transitions of which are mutually orthogonal, falling onto the polarization coating of the cube made on the hypotenuse bonded face, is alternately displayed on one optical axis in order to form an optical field for teleorienting controlled objects.
Наиболее близким по технической сущности является вариант выполнения коллимирующей оптической системы для п/п лазеров [5, фиг.3], включающей два канала. Каждый канал содержит коллимирующий объектив, выполненный из двух линз. За коллимирующими объективами по ходу лучей расположен преломляющий компонент, состоящий из двух преломляющих призм, установленных последовательно одна за другой.The closest in technical essence is an embodiment of a collimating optical system for p / p lasers [5, Fig. 3], including two channels. Each channel contains a collimating lens made of two lenses. Behind the collimating lenses along the rays of the rays there is a refractive component consisting of two refractive prisms mounted sequentially one after another.
Как следует из описания и формулы известной оптической системы [5], ребра двугранных углов, образованных преломляющими гранями призм, параллельны плоскости п/п перехода каждого лазера и лежат по разные стороны от оптической оси пучка. Углы между преломляющими гранями обеих призм выполнены в пределах 25-40°. Входные грани каждой призмы установлены перпендикулярно падающему на них пучку.As follows from the description and the formula of the known optical system [5], the edges of the dihedral angles formed by the refracting faces of the prisms are parallel to the plane of the p / n transition of each laser and lie on different sides from the optical axis of the beam. The angles between the refracting faces of both prisms are made in the range of 25-40 °. The input faces of each prism are installed perpendicular to the beam incident on them.
Каждый коллимирующий объектив имеет остаточную сферическую аберрацию, а его плоскость предмета смещена относительно передней фокальной плоскости. Этим обеспечивается осесимметричность углового распределения интенсивности излучения в дальней зоне.Each collimating lens has a residual spherical aberration, and its subject plane is offset relative to the front focal plane. This ensures the axisymmetry of the angular distribution of the radiation intensity in the far zone.
Преломляющий компонент в известной системе [5] представляет собой телескопическую анаморфотную систему, известную под названием «Бинокль Брюстера» [6], и служит для уменьшения поперечного размера и соответствующего увеличения угловой расходимости коллимированного пучка излучения лазера в плоскости длинной оси эллипса, перпендикулярной ребрам двугранных углов. Видимое увеличение Г определяется из формулы:The refractive component in the known system [5] is a telescopic anamorphic system, known as the Brewster’s Binoculars [6], and serves to reduce the transverse size and the corresponding increase in the angular divergence of the collimated laser beam in the plane of the long axis of the ellipse perpendicular to the edges of dihedral angles . The apparent increase in G is determined from the formula:
где α - угол между преломляющими гранями призм,where α is the angle between the refracting faces of the prisms,
n - показатель преломления материала призм для длины волны излучения лазера.n is the refractive index of the prism material for the laser radiation wavelength.
В плоскости короткой оси эллипса, параллельной ребрам двугранных углов, увеличение остается равным единице, так что в ближней зоне после прохождения сквозь преломляющий компонент лазерный пучок становится более осесимметричным.In the plane of the short axis of the ellipse parallel to the edges of the dihedral angles, the increase remains equal to unity, so that in the near zone after passing through the refractive component the laser beam becomes more axisymmetric.
Предложенный в известной системе [5] способ анаморфотной коррекции поперечного сечения пучка лазера гораздо проще технологически, чем в системе [2] с использованием цилиндрических линз, кроме того, он позволяет существенно сократить габарит системы.The method of anamorphic correction of the laser beam cross section proposed in the known system [5] is much easier technologically than in the system [2] using cylindrical lenses; moreover, it allows one to significantly reduce the size of the system.
Благодаря тому, что оптические оси коллимирующих объективов параллельны между собой, а лазеры располагаются вплотную друг к другу в плоскости, перпендикулярной ребрам двугранных углов преломляющих призм, в системе [5] происходит суммирование излучения двух или более лазеров.Due to the fact that the optical axes of the collimating lenses are parallel to each other, and the lasers are located close to each other in a plane perpendicular to the edges of the dihedral angles of the refracting prisms, the radiation of two or more lasers is summed in the system [5].
Однако при этом в два или более раз, по числу п/п лазеров, возрастает и поперечный размер пучка в плоскости, перпендикулярной п/п переходу, что не позволяет увеличить плотность мощности в пучке и влечет увеличение габаритов последующих компонентов оптической системы.However, in this case, the transverse size of the beam in the plane perpendicular to the p / j transition also increases two or more times, in terms of the number of p / p lasers, which does not allow increasing the power density in the beam and entails an increase in the dimensions of subsequent components of the optical system.
Задачей заявляемого технического решения является создание оптической системы, коллимирующей и одновременно анаморфотно корректирующей форму сечения пучков в ближней и дальней зонах для п/п лазеров с линейно поляризованным излучением, а также суммирующей излучение лазеров на единой оптической оси с целью формирования оптического поля для телеориентирования управляемых объектов, обладающей по сравнению с прототипом большей плотностью мощности и более высокой равномерностью углового распределения интенсивности излучения при минимальных потерях энергии на компонентах оптической системы и минимальных габаритах.The objective of the proposed technical solution is to create an optical system that collimates and simultaneously anamorphically corrects the shape of the beam cross section in the near and far zones for p / p lasers with linearly polarized radiation, as well as summing the radiation of lasers on a single optical axis in order to form an optical field for tele-orientation of controlled objects having, in comparison with the prototype, a higher power density and a higher uniformity of the angular distribution of radiation intensity at a minimum ial energy losses on the components of the optical system and minimum dimensions.
Для решения поставленной задачи предложена оптическая система для полупроводниковых (далее - п/п) лазеров, включающая два канала с коллимирующим объективом в каждом из них и преломляющий компонент, состоящий из двух преломляющих призм, установленных последовательно одна за другой, при этом ребра двугранных углов, образованных преломляющими гранями призм, параллельны плоскости полупроводникового перехода и лежат по разные стороны от оптической оси пучка, углы между преломляющими гранями обеих призм выполнены в пределах 25-40°, входные грани каждой призмы перпендикулярны падающему на них пучку, каждый коллимирующий объектив имеет остаточную сферическую аберрацию, а его плоскость предмета смещена относительно передней фокальной плоскости. Оптическая система отличается от прототипа тем, что в нее введены второй преломляющий компонент, выполненный таким же, как и первый, и суммирующий компонент, первый и второй преломляющие компоненты расположены по одному в каждом канале за коллимирующим объективом по ходу лучей, суммирующий компонент установлен за преломляющими компонентами обоих каналов по ходу лучей и имеет поверхность с поляризационным покрытием, полностью пропускающим излучение лазера, поляризованное в плоскости падения на данную поверхность, и полностью отражающим излучение, поляризованное в перпендикулярной плоскости, каналы оптической системы повернуты вокруг своих оптических осей так, что плоскости поляризации излучения п/п лазеров взаимно ортогональны, а взаимное расположение каналов таково, что их оптические оси пересекаются на поверхности суммирующего компонента с поляризационным покрытием и совпадают между собой за суммирующим компонентом по ходу лучей, причем коллимирующие объективы выполнены таким образом, что их фокусные расстояния Fоб, удовлетворяющие условию:To solve this problem, an optical system is proposed for semiconductor (hereinafter referred to as p / p) lasers, which includes two channels with a collimating lens in each of them and a refractive component consisting of two refractive prisms mounted in series one after the other, while the edges of dihedral angles, formed by the refracting faces of the prisms are parallel to the plane of the semiconductor junction and lie on different sides from the optical axis of the beam, the angles between the refracting faces of both prisms are made in the range of 25-40 °, input grades nor each prism is perpendicular to the beam incident on them, each collimating lens has residual spherical aberration, and its subject plane is offset from the front focal plane. The optical system differs from the prototype in that a second refractive component is introduced into it, made the same as the first and the summing component, the first and second refractive components are located one in each channel behind the collimating lens along the rays, the summing component is installed behind the refracting components of both channels along the rays and has a surface with a polarizing coating that completely transmits laser radiation, polarized in the plane of incidence on this surface, and completely reflects the radiation polarized in the perpendicular plane, the channels of the optical system are rotated around their optical axes so that the polarization planes of the radiation of the p / n lasers are mutually orthogonal, and the relative position of the channels is such that their optical axes intersect on the surface of the summing component with the polarization coating and coincide between behind the summing component along the rays, and the collimating lenses are made in such a way that their focal lengths F about , satisfying the condition:
выбраны такими, что обеспечивается равенство:selected so that equality is ensured:
где а∥ - размер тела свечения в плоскости п/п перехода,where a ∥ is the size of the glow body in the plane of the p / n junction,
Θ∥ и Θ⊥ - угловые расходимости коллимированного объективом пучка после преломляющего компонента по ходу лучей в плоскостях, параллельной и перпендикулярной п/п переходу соответственно, угловая расходимость Θ⊥, обусловленная суммарным действием смещения плоскости предмета и остаточной сферической аберрацией коллимирующего объектива, а также действием преломляющего компонента, определяется соотношениями:Θ ∥ and Θ ⊥ are the angular divergences of the beam collimated by the lens after the refractive component along the rays in the planes parallel and perpendicular to the p / n junction, respectively, the angular divergence Θ ⊥ due to the total effect of the displacement of the object plane and the residual spherical aberration of the collimating lens, as well as the action the refractive component is determined by the relations:
где Θфок и Θсф - угловые расходимости коллимированного лазерного пучка, обусловленные смещением плоскости предмета и остаточной сферической аберрацией коллимирующего объектива соответственно,where Θ fock and Θ cf are the angular divergences of the collimated laser beam due to the displacement of the object plane and the residual spherical aberration of the collimating lens, respectively,
Г - видимое увеличение преломляющего компонента в сечении, перпендикулярном ребрам двугранных углов призм,G is the visible increase in the refractive component in the section perpendicular to the edges of the dihedral angles of the prisms,
α - угол между преломляющими гранями призм,α is the angle between the refracting faces of the prisms,
n - показатель преломления материала призм для длины волны излучения лазера,n is the refractive index of the prism material for the wavelength of the laser radiation,
и по меньшей мере на одной из преломляющих граней каждой призмы выполнено просветляющее покрытие на длину волны излучения лазера.and at least one of the refracting faces of each prism is provided with an antireflection coating at the laser radiation wavelength.
В предлагаемой оптической системе наличие одинаковых преломляющих компонентов в каждом канале позволяет не только уменьшить размер поперечного сечения и увеличить осесимметричность каждого лазерного пучка в ближней зоне, но и пространственно разделить пучки, чтобы направить оптические оси каналов на суммирующий компонент с целью их наложения и выведения на единую оптическую ось. Этим достигается задача увеличения плотности мощности лазерного излучения.In the proposed optical system, the presence of identical refractive components in each channel allows not only to reduce the size of the cross section and increase the axisymmetry of each laser beam in the near field, but also to spatially separate the beams in order to direct the optical axis of the channels to the summing component in order to superimpose them and bring them to a single optical axis. This achieves the task of increasing the power density of the laser radiation.
Суммирование излучения двух п/п лазеров на единой оптической оси, предложенное в оптической системе, дает дополнительный технический результат - существенное повышение суммарной равномерности интенсивности излучения в поперечном сечении пучка, поскольку п/п переходы лазеров в каналах взаимно ортогональны и соответственные поперечные сечения пучков повернуты относительно друг друга вокруг общей оптической оси на 90°.The summation of the radiation of two p / p lasers on a single optical axis, proposed in the optical system, gives an additional technical result — a significant increase in the total uniformity of the radiation intensity in the beam cross section, since the p / p transitions of the lasers in the channels are mutually orthogonal and the corresponding beam cross sections are rotated relative to each other around a common optical axis by 90 °.
Изложенным выше выбором фокусного расстояния, остаточной сферической аберрации и смещения плоскости предмета коллимирующих объективов, а также выбором конструктивных параметров преломляющих компонентов, определяющих их видимое увеличение, обеспечивается осевая симметрия лазерного пучка в дальней зоне, необходимая для формирования поля управления.The foregoing choice of focal length, residual spherical aberration, and the displacement of the object plane of collimating lenses, as well as the choice of design parameters of refractive components that determine their visible increase, provide axial symmetry of the laser beam in the far zone, necessary for the formation of the control field.
Небольшие поперечные размеры и минимальная угловая расходимость лазерного пучка позволяют обеспечить минимальные габариты оптической системы. Нанесение просветляющих покрытий сводит к минимуму потери энергии на френелевское отражение в оптической системе.The small transverse dimensions and the minimum angular divergence of the laser beam make it possible to ensure the minimum dimensions of the optical system. The application of antireflection coatings minimizes the loss of energy due to Fresnel reflection in the optical system.
Суммирующий компонент может быть выполнен в виде плоскопараллельной пластины из прозрачного для излучения лазера материала, расположенной таким образом, что плоскость падения излучения первого канала на пластину совпадает с плоскостью поляризации п/п лазера, а угол падения равен углу Брюстера и определяется из соотношения [7]:The summing component can be made in the form of a plane-parallel plate made of a material transparent for laser radiation, arranged in such a way that the plane of incidence of the radiation of the first channel on the plate coincides with the plane of polarization of the p / p laser, and the angle of incidence is equal to the Brewster angle and is determined from the relation [7] :
где γ - угол падения излучения на пластину,where γ is the angle of incidence of radiation on the plate,
при этом поляризационное покрытие выполнено на второй по ходу лучей поверхности плоскопараллельной пластины, второй канал системы расположен по отношению к первому каналу так, что его оптическая ось лежит в плоскости падения излучения первого канала на пластину и пересекается с осью первого канала на поверхности с поляризационным покрытием под углом, определяемым из соотношения:the polarization coating is made on the second along the rays of the surface of the plane-parallel plate, the second channel of the system is located relative to the first channel so that its optical axis lies in the plane of incidence of the radiation of the first channel on the plate and intersects with the axis of the first channel on the surface with a polarizing coating under the angle determined from the ratio:
где ε - угол пересечения оптических осей каналов на поверхности пластины с поляризационным покрытием.where ε is the angle of intersection of the optical axis of the channels on the surface of the polarized coating plate.
Падение излучения первого канала на пластину под углом Брюстера в плоскости поляризации исключает френелевские потери на первой по ходу лучей поверхности плоскопараллельной пластины без нанесения просветляющего покрытия. Поляризационное покрытие выполнено таким, что полностью пропускает линейно поляризованное в плоскости падения излучение первого канала и полностью отражает линейно поляризованное в перпендикулярной плоскости излучение второго канала, за суммирующим компонентом по ходу лучей оптические оси каналов совпадают и ортогонально поляризованное излучение обоих лазеров суммируется без потерь.The fall of the radiation of the first channel onto the plate at a Brewster angle in the plane of polarization excludes Fresnel losses on the first along the rays surface of the plane-parallel plate without applying an antireflection coating. The polarization coating is made in such a way that it completely transmits the radiation of the first channel linearly polarized in the plane of incidence and completely reflects the radiation of the second channel linearly polarized in the perpendicular plane, the optical axis of the channels coincides along the path of the rays and the orthogonally polarized radiation of both lasers is added without loss.
Суммирующий компонент может быть выполнен и в виде двух плоскопараллельных пластин, расположенных на оси каждого канала наклонно и параллельно друг другу, оптические оси каналов до суммирующего компонента по ходу лучей параллельны между собой, углы падения излучения п/п лазеров на пластины равны углу Брюстера, а плоскости падения совпадают между собой, при этом в первом канале плоскопараллельная пластина выполнена из прозрачного для излучения лазера материала и расположена таким образом, что плоскость падения излучения первого канала на пластину совпадает с плоскостью поляризации п/п лазера, причем поляризационное покрытие выполнено на второй по ходу лучей поверхности плоскопараллельной пластины, а во втором канале плоскопараллельная пластина выполнена с наружным зеркальным отражением, при этом второй канал расположен по отношению к первому каналу так, что его оптическая ось пересекается с осью первого канала на поверхности плоскопараллельной пластины с поляризационным покрытием под углом, определяемым из соотношения:The summing component can also be made in the form of two plane-parallel plates located obliquely and parallel to each other on the axis of each channel, the optical axes of the channels to the summing component along the rays are parallel to each other, the angles of incidence of the laser radiation on the plates are equal to the Brewster angle, and the incidence planes coincide with each other, while in the first channel the plane-parallel plate is made of a material transparent for laser radiation and is located so that the incidence plane of the radiation of the first channel on the plate coincides with the plane of polarization of the p / p laser, and the polarization coating is made on the second along the rays of the surface of the plane-parallel plate, and in the second channel the plane-parallel plate is made with external mirror reflection, while the second channel is located relative to the first channel so that it the optical axis intersects the axis of the first channel on the surface of a plane-parallel plate with a polarization coating at an angle determined from the relation:
Поляризационное покрытие выполнено таким, что полностью пропускает линейно поляризованное в плоскости падения излучение первого канала и полностью отражает линейно поляризованное в перпендикулярной плоскости излучение второго канала, за суммирующим компонентом по ходу лучей оптические оси каналов совпадают и ортогонально поляризованное излучение обоих лазеров суммируется без потерь.The polarization coating is made in such a way that it completely transmits the radiation of the first channel linearly polarized in the plane of incidence and completely reflects the radiation of the second channel linearly polarized in the perpendicular plane, the optical axis of the channels coincides along the path of the rays and the orthogonally polarized radiation of both lasers is added without loss.
Выполнение суммирующего компонента в виде двух плоскопараллельных пластин позволяет более компактно и технологично разместить оба канала параллельно друг другу до суммирующего компонента по ходу лучей.The implementation of the summing component in the form of two plane-parallel plates allows you to more compactly and technologically place both channels parallel to each other to the summing component along the rays.
Суммирующий компонент может быть выполнен в виде призмы АР-90° и призмы - ромб БС-0°, склеенных между собой гипотенузными гранями, на одной из которых нанесено поляризационное покрытие.The summing component can be made in the form of a prism AP-90 ° and a prism - a rhombus BS-0 °, glued together by hypotenous faces, on one of which a polarizing coating is applied.
Оптические оси каналов до суммирующего компонента по ходу лучей параллельны между собой и перпендикулярны входным граням призм. Внутри суммирующего компонента оптические оси обоих каналов пересекаются на поверхности с поляризационным покрытием, а за суммирующим компонентом по ходу лучей они совпадают между собой.The optical axis of the channels to the summing component along the rays are parallel to each other and perpendicular to the input faces of the prisms. Inside the summing component, the optical axes of both channels intersect on the surface with a polarizing coating, and behind the summing component along the rays they coincide.
Суммирующий компонент может быть выполнен в виде призмы - (куб), состоящей из двух призм АР-90°, склеенных между собой гипотенузными гранями, на одной из которых нанесено поляризационное покрытие. Оптические оси каналов до суммирующего компонента по ходу лучей перпендикулярны как между собой, так и входным граням призмы - (куб). Внутри суммирующего компонента оптические оси обоих каналов пересекаются на поверхности с поляризационным покрытием, а за суммирующим компонентом по ходу лучей они совпадают между собой.The summing component can be made in the form of a prism - (cube), consisting of two AR-90 ° prisms glued together by hypotenuse faces, on one of which a polarization coating is applied. The optical axis of the channels to the summing component along the rays are perpendicular both to each other and to the input faces of the prism - (cube). Inside the summing component, the optical axes of both channels intersect on the surface with a polarizing coating, and behind the summing component along the rays they coincide.
Все предложенные примеры выполнения суммирующих компонентов системы позволяют вывести на единую оптическую ось без потерь излучение двух п/п лазеров, обеспечив при этом высокую плотность мощности при минимальных потерях энергии излучения на суммирующем компоненте.All the proposed examples of the implementation of the summing components of the system make it possible to output the radiation of two p / l lasers onto a single optical axis without loss, while ensuring a high power density with minimal loss of radiation energy on the summing component.
В систему могут быть введены одна или несколько длиннофокусных линз, установленных на общей оптической оси каналов за суммирующим компонентом по ходу лучей.One or several telephoto lenses mounted on the common optical axis of the channels behind the summing component along the rays can be introduced into the system.
Это обеспечит формирование во входной плоскости системы телеуправления пятна лазерного излучения с необходимыми параметрами.This will ensure the formation of a laser radiation spot with the necessary parameters in the input plane of the telecontrol system.
Одна из призм преломляющего компонента в каждом канале системы может быть выполнена с возможностью плавного перемещения вдоль оптической оси. Величина параллельного смещения оси определяется по формуле:One of the prisms of the refractive component in each channel of the system can be made with the possibility of smooth movement along the optical axis. The value of the parallel displacement of the axis is determined by the formula:
где ΔY - величина смещения оптической оси в плоскости, перпендикулярной ребрам двугранных углов призм,where ΔY is the displacement of the optical axis in a plane perpendicular to the edges of the dihedral angles of the prisms,
ΔZ - величина смещения призмы вдоль оптической оси,ΔZ is the displacement of the prism along the optical axis,
α - угол между преломляющими гранями призм,α is the angle between the refracting faces of the prisms,
β - угол отклонения пучка от нормали к выходной грани (угол преломления).β is the angle of deviation of the beam from the normal to the output face (angle of refraction).
Поскольку каналы повернуты вокруг своих оптических осей так, что ребра двугранных углов призм в разных каналах взаимно ортогональны, то плавное продольное перемещение одной из призм в каждом канале позволяет совместить оптические оси каналов на поверхности с поляризационным покрытием с высокой точностью по двум координатным осям, обеспечивая простоту и удобство юстировки каналов.Since the channels are rotated around their optical axes so that the edges of the dihedral angles of the prisms in different channels are mutually orthogonal, the smooth longitudinal movement of one of the prisms in each channel makes it possible to combine the optical axis of the channels on the surface with the polarization coating with high accuracy along two coordinate axes, providing simplicity and ease of channel alignment.
В один из каналов системы может быть введена пара оптических клиньев, расположенных на оптической оси за преломляющим компонентом по ходу лучей, при этом клинья установлены с возможностью поворота каждого клина вокруг оптической оси.A pair of optical wedges located on the optical axis behind the refracting component along the rays can be introduced into one of the channels of the system, and the wedges are mounted with the possibility of rotation of each wedge around the optical axis.
Это позволяет обеспечить с высокой точностью параллельность оптических осей обоих каналов после их совмещения на поверхности с поляризационным покрытием.This allows you to ensure high accuracy parallelism of the optical axes of both channels after they are combined on the surface with a polarizing coating.
В предлагаемой системе углы α между преломляющими гранями призм преломляющего компонента могут быть выполнены такими, что соответствуют условиям:In the proposed system, the angles α between the refractive faces of the prisms of the refractive component can be made such that they correspond to the conditions:
Это условие целесообразно выполнять в том случае, если в применяемых в системе п/п лазерах тип поляризации излучения - ТМ, то есть плоскость поляризации перпендикулярна п/п переходу. При этом на вторых по ходу лучей преломляющих гранях призм полностью отсутствуют потери на френелевское отражение и просветляющее покрытие необходимо выполнять только на первых по ходу луча преломляющих гранях обеих призм.It is advisable to fulfill this condition if the type of radiation polarization used in the p / p laser system is TM, that is, the plane of polarization is perpendicular to the p / j transition. In this case, on the second along the rays of the refracting faces of the prisms, there is completely no loss of Fresnel reflection and the antireflection coating should be performed only on the first along the ray of the refracting faces of both prisms.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет решить задачу создания оптической системы формирования и суммирования на одной оптической оси излучения двух п/п лазеров, обладающей при высокой степени осевой симметрии пучка в ближней и дальней зонах минимальным поперечным размером пучка и минимальной угловой расходимостью, а также большей плотностью мощности и более высокой равномерностью распределения интенсивности излучения в поперечном сечении пучка по сравнению с прототипом при минимальных потерях энергии на компонентах оптической системы и минимальных габаритах.Thus, the proposed invention allows to solve the problem of creating an optical system for the formation and summation of the radiation of two p / p lasers on a single optical axis, which, with a high degree of axial symmetry of the beam in the near and far zones, has a minimum transverse beam size and minimum angular divergence, as well as a higher density power and a higher uniformity of the distribution of radiation intensity in the cross section of the beam compared with the prototype with minimal energy loss on the components of the opt cal system and minimum dimensions.
Сущность предложенного изобретения поясняется чертежами.The essence of the proposed invention is illustrated by drawings.
На фиг.1 приведена оптическая система для п/п лазеров с суммирующим компонентом в виде одной пластины с поляризационным покрытием.Figure 1 shows the optical system for p / p lasers with a summing component in the form of a single plate with a polarizing coating.
На фиг.2 приведена оптическая система для п/п лазеров с суммирующим компонентом в виде двух пластин.Figure 2 shows the optical system for p / p lasers with a summing component in the form of two plates.
На фиг.3 приведена оптическая система для п/п лазеров с суммирующим компонентом в виде склеенных призм АР-90° и БС°.Figure 3 shows the optical system for p / p lasers with a summing component in the form of glued prisms AR-90 ° and BS °.
На фиг.4 приведена оптическая система для п/п лазеров с суммирующим компонентом в виде призмы - куб.Figure 4 shows the optical system for p / p lasers with a summing component in the form of a prism - cube.
На фиг.5 показана возможность юстировки положения оптической оси канала за счет плавного перемещения преломляющей призмы вдоль оптической оси.Figure 5 shows the possibility of adjusting the position of the optical axis of the channel due to the smooth movement of the refractive prism along the optical axis.
На фиг.6 приведены кривые относительного углового распределения интенсивности лазерного излучения в дальней зоне.Figure 6 shows the curves of the relative angular distribution of the intensity of the laser radiation in the far zone.
Оптическая система для полупроводниковых (далее - п/п) лазеров (фиг.1-4) включает в себя два одинаковых канала. Каждый канал содержит коллимирующий объектив 1 и преломляющий компонент 2.The optical system for semiconductor (hereinafter p / p) lasers (Figs. 1-4) includes two identical channels. Each channel contains a
За преломляющими компонентами 2 по ходу лучей расположен суммирующий компонент 3, после которого на единой оптической оси обоих каналов расположена длиннофокусная линза 4.Behind the refracting
Во втором канале системы между преломляющим и суммирующим компонентами расположена пара оптических клиньев 5.In the second channel of the system between the refractive and summing components is a pair of
Коллимирующий объектив 1, в передней фокальной плоскости которого находится тело свечения п/п лазера, содержит три линзы, которые могут быть выполнены из кварцевого стекла для повышения термостабильности системы, и служит для коллимирования излучения п/п лазера. Угловая расходимость излучения по уровню спада интенсивности 0.1 и соответствующая числовая апертура объектива 1 в плоскости п/п перехода равны: δ∥=12°, sin(δ∥/2)=0.1; в ортогональной плоскости: δ⊥=60°, sin (δ⊥/2)=0.5; и поперечное сечение коллимированного пучка в ближней зоне представляет собой эллипс, вытянутый в плоскости максимальной апертуры, перпендикулярной п/п переходу.The
При этом коллимирующий объектив 1 имеет остаточную сферическую аберрацию, а его плоскость предмета смещена относительно передней фокальной плоскости.In this case, the
Преломляющий компонент 2 состоит из двух преломляющих призм, установленных последовательно одна за другой. Призмы установлены на оптической оси каждого канала (фиг.1- 4) таким образом, что ребра двугранных углов, образованных преломляющими гранями призм, расположены параллельно плоскости п/п перехода лазера и лежат по разные стороны от оптической оси. Углы α между преломляющими гранями обеих призм выполнены в пределах 25-40°, при этом входная грань каждой из призм перпендикулярна падающему на них пучку излучения лазера.
Преломляющий компонент 2 представляет собой телескопическую анаморфотную систему, известную под названием «Бинокль Брюстера» [6], и служит для уменьшения поперечного размера и соответствующего увеличения угловой расходимости коллимированного пучка излучения лазера в плоскости длинной оси эллипса, перпендикулярной ребрам двугранных углов.
Суммирующий компонент 3 (фиг.1-4) установлен за преломляющими компонентами 2 обоих каналов по ходу лучей и имеет поверхность с поляризационным покрытием, полностью пропускающим излучение лазера, поляризованное в плоскости падения на данную поверхность, и полностью отражающим излучение, поляризованное в перпендикулярной плоскости.The summing component 3 (Figs. 1-4) is installed behind the refracting
Каналы оптической системы повернуты вокруг своих оптических осей так, что плоскости поляризации излучения п/п лазеров взаимно ортогональны, а взаимное расположение каналов таково, что их оптические оси пересекаются на поверхности суммирующего компонента 3 с поляризационным покрытием и совпадают между собой за суммирующим компонентом по ходу лучей.The channels of the optical system are rotated around their optical axes so that the polarization planes of the radiation of the p / n lasers are mutually orthogonal, and the relative position of the channels is such that their optical axes intersect on the surface of the summing
Коллимирующий объектив 1 выполнен таким, что его фокусное расстояние Fоб, определяемое соотношением:The
выбрано таким, что обеспечивается равенство:chosen so that equality is ensured:
где а∥ - размер тела свечения в плоскости п/п перехода,where a ∥ is the size of the glow body in the plane of the p / n junction,
Θ∥ и Θ⊥ - угловые расходимости коллимированного объективом пучка после преломляющего компонента 2 по ходу лучей в плоскостях параллельной и перпендикулярной п/п переходу соответственно.Θ ∥ and Θ ⊥ are the angular divergences of the beam collimated by the lens after the
При а∥=100 мкм и Fоб=8 мм обеспечивается угловая расходимость коллимированного пучка Θ∥=12.5 мрад.When a ∥ = 100 mm and F = about 8 mm provided the angular divergence of the collimated beam Θ ∥ = 12.5 mrad.
Угловая расходимость Θ⊥, обусловленная суммарным действием смещения плоскости предмета и остаточной сферической аберрации коллимирующего объектива 1, а также действием преломляющего компонента 2, определяется соотношением:The angular divergence Θ ⊥ , due to the total effect of the displacement of the plane of the object and the residual spherical aberration of the
где Θфок и Θсф - угловые расходимости коллимированного лазерного пучка, обусловленные смещением плоскости предмета и остаточной сферической аберрацией коллимирующего объектива соответственно,where Θ and Θ jib sph - angular divergence of the collimated laser beam due to the displacement plane of the object and the residual spherical aberration of the collimating lens, respectively,
Г - видимое увеличение преломляющего компонента 2 в плоскости, перпендикулярной ребрам двугранных углов призм, определяемое по формуле:G - a visible increase in the
где α - угол между преломляющими гранями призм,where α is the angle between the refracting faces of the prisms,
n - показатель преломления материала призм для длины волны излучения лазера.n is the refractive index of the prism material for the laser radiation wavelength.
При значении угла α=33° и материале призм К8 значение Г=0.46 крат, при выполнении условия (1)-(3) Θфок+Θсф=6 мрад это позволяет обеспечить осевую симметричность углового распределения интенсивности излучения каждого лазера в дальней зоне.When the angle α = 33 ° and the prism material K8, the value Г = 0.46 times, if conditions (1) - (3) Θ foc + Θ cf = 6 mrad are fulfilled, this allows the axial symmetry of the angular distribution of the radiation intensity of each laser in the far zone to be ensured.
Для исключения потерь энергии на френелевское отражение на обеих преломляющих гранях каждой призмы преломляющего компонента 2 выполнено просветляющее покрытие на длину волны излучения лазера.To exclude energy losses due to Fresnel reflection on both refractive faces of each prism of the
Пример 1 (фиг.1). Суммирующий компонент 3 выполнен в виде плоскопараллельной пластины из прозрачного для излучения лазера материала и расположен таким образом, что плоскость падения излучения первого канала на пластину совпадает с плоскостью поляризации п/п лазера, а угол падения равен углу Брюстера и определяется из соотношения [7]:Example 1 (figure 1). The summing
где γ - угол падения излучения на пластину.where γ is the angle of incidence of radiation on the plate.
Для стекла К8 угол γ=56°. Это позволяет исключить френелевские потери на первой по ходу лучей поверхности плоскопараллельной пластины без нанесения просветляющего покрытия ([7], [8]).For K8 glass, the angle γ = 56 °. This makes it possible to exclude Fresnel losses on the first along the rays surface of a plane-parallel plate without applying an antireflection coating ([7], [8]).
Поляризационное покрытие выполнено на второй по ходу лучей поверхности плоскопараллельной пластины.The polarization coating is made on the second along the rays of the surface of the plane-parallel plate.
Второй канал системы расположен по отношению к первому каналу так, что его оптическая ось лежит в плоскости падения излучения первого канала на пластину и пересекается с осью первого канала на поверхности с поляризационным покрытием под углом, определяемым из соотношения:The second channel of the system is located relative to the first channel so that its optical axis lies in the plane of incidence of the radiation of the first channel on the plate and intersects with the axis of the first channel on the surface with a polarization coating at an angle determined from the relation:
где ε - угол пересечения оптических осей каналов на поверхности пластины с поляризационным покрытием.where ε is the angle of intersection of the optical axis of the channels on the surface of the polarized coating plate.
Пример 2 (фиг.2). Суммирующий компонент 3 выполнен в виде двух плоскопараллельных пластин, расположенных на оси каждого канала наклонно и параллельно друг другу. Оптические оси каналов до суммирующего компонента 3 по ходу лучей параллельны между собой, углы падения излучения п/п лазеров на пластины равны углу Брюстера и определяются по формуле (5), а плоскости падения совпадают между собой.Example 2 (figure 2). The summing
В первом канале плоскопараллельная пластина выполнена из прозрачного для излучения лазера материала и расположена таким образом, что плоскость падения излучения первого канала на пластину совпадает с плоскостью поляризации п/п лазера.In the first channel, the plane-parallel plate is made of a material transparent for laser radiation and is positioned so that the plane of incidence of the radiation of the first channel on the plate coincides with the plane of polarization of the p / n laser.
Поляризационное покрытие выполнено на второй по ходу лучей поверхности плоскопараллельной пластины.The polarization coating is made on the second along the rays of the surface of the plane-parallel plate.
Во втором канале плоскопараллельная пластина выполнена с наружным зеркальным отражением. Второй канал расположен по отношению к первому каналу так, что его оптическая ось пересекается с осью первого канала на поверхности плоскопараллельной пластины с поляризационным покрытием под углом, определяемым из соотношения (6).In the second channel, a plane-parallel plate is made with external mirror reflection. The second channel is located relative to the first channel so that its optical axis intersects with the axis of the first channel on the surface of a plane-parallel plate with a polarization coating at an angle determined from relation (6).
Пример 3 (фиг.3). Суммирующий компонент 3 выполнен в виде призмы АР-90° [9] и призмы - ромб БС-0° [9], склеенных между собой гипотенузными гранями. На одной из склеиваемых граней нанесено поляризационное покрытие.Example 3 (figure 3). The summing
Оптические оси каналов до суммирующего компонента 3 по ходу лучей параллельны между собой и перпендикулярны входным граням призм. Внутри суммирующего компонента 3 оптические оси обоих каналов пересекаются на поверхности с поляризационным покрытием, а за суммирующим компонентом 3 по ходу лучей они совпадают между собой.The optical axis of the channels to the summing
Пример 4 (фиг.4). Суммирующий компонент 3 выполнен в виде призмы - куб, состоящей из двух призм АР-90°, склеенных между собой гипотенузными гранями. На одной из склеиваемых граней нанесено поляризационное покрытие. Оптические оси каналов до суммирующего компонента 3 по ходу лучей перпендикулярны как между собой, так и входным граням призмы - куб. Внутри суммирующего компонента 3 оптические оси обоих каналов пересекаются на поверхности с поляризационным покрытием, а за суммирующим компонентом 3 по ходу лучей они совпадают между собой.Example 4 (figure 4). The summing
Все предложенные на фиг.1-4 примеры выполнения суммирующих компонентов системы позволяют вывести на единую оптическую ось излучение двух п/п лазеров, обеспечив при этом высокую плотность мощности при минимальных потерях энергии излучения на суммирующем компоненте.All the examples of implementation of the summing components of the system proposed in Figs. 1-4 allow the radiation of two p / l lasers to be brought out onto a single optical axis, while ensuring a high power density with minimal loss of radiation energy on the summing component.
В систему может быть введена длиннофокусная линза 4 (фиг.1-4), установленная на общей оптической оси первого и второго каналов после суммирующего компонента 3 по ходу лучей.A
Фокусное расстояние Fл линзы 4 выбрано таким, чтобы размер пятна лазерного излучения А•А в плоскости входного окна системы телеуправления удовлетворял условиям:The focal length F l of the lens 4 is selected so that the spot size of the laser radiation A • A in the plane of the input window of the telecontrol system satisfies the conditions:
где А - размер пятна, соответствующий размеру входного окна системы телеуправления,where A is the spot size corresponding to the size of the input window of the telecontrol system,
Fл - фокусное расстояние линзы 4.F l - the focal length of the
При А=2 мм и Θ∥=Θ⊥=12.5 мрад фокусное расстояние линзы Fл=160 мм.At A = 2 mm and Θ ∥ = Θ ⊥ = 12.5 mrad, the focal length of the lens is F l = 160 mm.
В каждом преломляющем компоненте 2 одна из призм может быть выполнена с возможностью плавного перемещения вдоль оптической оси (фиг.5), при котором плавно изменяется осевое расстояние между призмами. Этим обеспечивается плавное параллельное смещение оптической оси канала в плоскости, перпендикулярной ребрам двугранных углов призм, в соответствии с формулой:In each
где ΔY - величина параллельного смещения оптической оси,where ΔY is the parallel displacement of the optical axis,
ΔZ - величина смещения призмы вдоль оптической оси,ΔZ is the displacement of the prism along the optical axis,
α - угол между преломляющими гранями призмы,α is the angle between the refracting faces of the prism,
β - угол отклонения пучка от нормали к выходной грани (угол преломления).β is the angle of deviation of the beam from the normal to the output face (angle of refraction).
Во втором канале системы может быть установлена пара оптических клиньев 5 (фиг.1-4), расположенных на оптической оси между преломляющим компонентом 2 и суммирующим компонентом 3. Клинья 5 установлены с возможностью поворота каждого клина вокруг оптической оси, что позволяет обеспечить с высокой точностью взаимную параллельность оптических осей обоих каналов.In the second channel of the system can be installed a pair of optical wedges 5 (Fig.1-4) located on the optical axis between the
В преломляющем компоненте 2 углы α между преломляющими гранями призм (фиг.1-5) могут быть выполнены такими, что соответствуют условиям:In the
Для стекла К8 угол α=33°.For K8 glass, the angle α = 33 °.
Эти условия целесообразно выполнять в том случае, если в применяемых в системе п/п лазерах тип поляризации излучения - ТМ, то есть плоскость поляризации перпендикулярна п/п переходу. При этом на вторых по ходу лучей преломляющих гранях призм полностью отсутствуют потери на френелевское отражение и просветляющее покрытие необходимо выполнять только на первых по ходу луча преломляющих гранях обеих призм.It is advisable to fulfill these conditions if the type of radiation polarization used in the p / p laser system is TM, that is, the plane of polarization is perpendicular to the p / j transition. In this case, on the second along the rays of the refracting faces of the prisms, there is completely no loss of Fresnel reflection and the antireflection coating should be performed only on the first along the ray of the refracting faces of both prisms.
Система работает следующим образом (фиг.1-4).The system operates as follows (Fig.1-4).
Линейно поляризованное излучение п/п лазера в каждом из двух каналов системы, проходя сквозь коллимирующий объектив 1, формируется в слабо расходящийся пучок, поперечное сечение которого представляет собой эллипс, вытянутый в плоскости, перпендикулярной п/п переходу. Размеры полуосей эллипса пропорциональны угловым расходимостям излучения лазера δ∥ и δ⊥ в соответствующих плоскостях и фокусному расстоянию объектива 1.The linearly polarized p / p laser radiation in each of the two channels of the system, passing through the
Далее излучение попадает на входную грань первой призмы преломляющего компонента 2, перпендикулярную оптической оси канала, и без преломления проходит в стекле призмы, преломляясь на выходной грани и отклоняясь к основанию призмы. Сквозь вторую призму преломляющего компонента 2 излучение проходит аналогично.Then the radiation falls on the input face of the first prism of the
Ребра двугранных углов α, образованных преломляющими гранями обеих призм, лежат по разные стороны от оптической оси. Если обе призмы выполнены из одного материала, излучение не меняет своего направления после преломления двумя призмами, а лишь смещается в плоскости, перпендикулярной ребрам двугранных углов и п/п переходу.The edges of the dihedral angles α formed by the refracting faces of both prisms lie on different sides from the optical axis. If both prisms are made of the same material, the radiation does not change its direction after refraction by two prisms, but only shifts in the plane perpendicular to the edges of dihedral angles and the p / n junction.
При этом поперечное сечение пучка излучения уменьшается, а угловая расходимость соответственно увеличивается в Г раз в плоскости, перпендикулярной ребрам двугранных углов и п/п переходу. Видимое увеличение Г определяется из формулы (4).In this case, the cross section of the radiation beam decreases, and the angular divergence increases correspondingly by a factor of T in the plane perpendicular to the edges of the dihedral angles and the p / n junction. The apparent increase in G is determined from formula (4).
В плоскости, параллельной ребрам двугранных углов и п/п переходу, увеличение остается равным единице, так что в ближней зоне после прохождения сквозь преломляющий компонент 2 сечение лазерного пучка уменьшается вдоль длинной оси эллипса и становится более осесимметричным.In the plane parallel to the edges of the dihedral angles and the p / n transition, the increase remains equal to unity, so that in the near zone after passing through the
Далее излучение обоих каналов попадает на суммирующий компонент 3 (фиг.1-4), который содержит поверхность с поляризационным покрытием. Поскольку каналы системы повернуты вокруг своих оптических осей так, что плоскости поляризации излучения п/п лазеров взаимно ортогональны, то поляризационное покрытие полностью пропускает излучение первого канала, поляризованное в плоскости падения на данную поверхность, и полностью отражает излучение второго канала, поляризованное в перпендикулярной плоскости. При этом оптические оси пучков излучения обоих каналов пересекаются на поверхности с поляризационным покрытием и совпадают между собой за суммирующим компонентом по ходу лучей.Next, the radiation of both channels falls on the summing component 3 (Fig.1-4), which contains a surface with a polarized coating. Since the channels of the system are rotated around their optical axes so that the polarization planes of the radiation of the p / p lasers are mutually orthogonal, the polarization coating completely transmits the radiation of the first channel polarized in the plane of incidence onto this surface and fully reflects the radiation of the second channel polarized in the perpendicular plane. In this case, the optical axis of the radiation beams of both channels intersect on the surface with a polarization coating and coincide with each other behind the summing component along the rays.
Таким образом, после суммирующего компонента 3 излучение двух п/п лазеров сводится на единую оптическую ось, при этом энергия излучения практически удваивается, т.к. потери на оптических элементах системы пренебрежимо малы благодаря оптимальному их расположению и нанесению качественных просветляющих и поляризационного покрытий.Thus, after the summing
Так, расположение суммирующих компонентов 3 в примерах 1-2 (фиг.1-2) под углом Брюстера [7] в плоскости поляризации излучения лазера первого канала позволяет полностью исключить потери излучения на френелевское отражение на первой по ходу лучей поверхности без нанесения просветляющего покрытия. На просветленных поверхностях линз объектива 1, призм преломляющего компонента 2, суммирующего компонента 3 и других оптических элементов системы потери на отражение не превышают 0.3%, на поляризационном покрытии они составляют менее 2%. Потери из-за деполяризации излучения на линзах объектива 1 также практически не ощутимы.So, the location of the summing
Плотность же мощности излучения возрастает более чем в 4 раза, т.к. благодаря действию преломляющих компонентов 2 сечение пучка уменьшается в 2.2 раза.The density of the radiation power increases by more than 4 times, because due to the action of
Благодаря выполнению условий (2) и (3) обеспечивается осевая симметричность углового распределения интенсивности излучения каждого лазера в дальней зоне, при этом угловая расходимость излучения по уровню 0.1 не превышает 12…14 мрад.Due to the fulfillment of conditions (2) and (3), the axial symmetry of the angular distribution of the radiation intensity of each laser in the far zone is ensured, while the angular divergence of the radiation at a level of 0.1 does not exceed 12 ... 14 mrad.
Предложенный метод суммирования излучения двух лазеров на единой оптической оси позволяет решить задачу не только четырехкратного увеличения плотности мощности, но и повышения суммарной равномерности интенсивности излучения в поперечном сечении пучка (фиг.6).The proposed method of summing the radiation of two lasers on a single optical axis allows us to solve the problem of not only quadrupling the power density, but also increasing the total uniformity of the radiation intensity in the beam cross section (Fig.6).
Распределение интенсивности излучения у п/п лазеров различно в ортогональных плоскостях.The distribution of the radiation intensity in p / p lasers is different in orthogonal planes.
В плоскости, перпендикулярной п/п переходу, оно представляет собой как в ближней, так и в дальней зоне Гауссову кривую Рр, показанную на верхнем графике фиг.6. Форма гауссоиды скорректирована смещением плоскости предмета и остаточной сферической аберрацией коллимирующего объектива 1 с целью частичного выравнивания интенсивности от оси к краю.In the plane perpendicular to the p / n junction, it represents both in the near and in the far zone the Gaussian curve Pp shown in the upper graph of FIG. 6. The shape of the Gaussian is corrected by the displacement of the plane of the object and the residual spherical aberration of the
В плоскости, параллельной п/п переходу, распределение интенсивности излучения представляет П-образную кривую Ps, показанную на среднем графике фиг.6. Она имеет 10…12 периодических провалов глубиной 10…15% от среднего значения интенсивности.In a plane parallel to the p / n junction, the radiation intensity distribution represents the U-shaped curve Ps shown in the middle graph of FIG. 6. It has 10 ... 12 periodic dips with a depth of 10 ... 15% of the average intensity value.
Суммирование излучения двух лазеров, п/п переходы которых ортогональны, существенно повышает равномерность интенсивности излучения, поскольку при этом соответственные поперечные сечения пучков повернуты относительно друг друга вокруг общей оптической оси на 90° и Гауссова кривая распределения интенсивности одного сечения складывается с П-образной кривой другого сечения. Суммарная кривая Pp+Ps представлена на нижнем графике фиг.6, спад интенсивности от центра к краю по уровню 0.1 не превышает 25%.The summation of the radiation of two lasers whose p / n transitions are orthogonal significantly increases the uniformity of the radiation intensity, since the corresponding beam cross sections are rotated 90 ° relative to each other and the Gaussian intensity distribution curve of one section is added to the U-shaped curve of the other sections. The total curve Pp + Ps is presented in the lower graph of Fig.6, the decline in intensity from the center to the edge at the level of 0.1 does not exceed 25%.
После суммирования на компоненте 3 излучение попадает на длиннофокусную линзу 4 (фиг.1-4), проходит сквозь нее и в ее задней фокальной плоскости, совпадающей с входной плоскостью системы телеуправления, фокусируется в пятно лазерного излучения, соответствующее по размеру входному окну системы телеуправления.After summing on
При отсутствии длиннофокусной линзы 4 непрерывное излучение двух п/п лазеров представляет собой в дальней зоне системы слабо расходящийся мощный осесимметричный пучок с высокой степенью равномерности интенсивности в поперечном сечении, пригодный для различных технических применений как с формирующей оптикой, так и без нее.In the absence of a
Как показано на фиг.5, одна из призм преломляющего компонента 2 может быть выполнена с возможностью плавного перемещения вдоль оптической оси. При величине перемещения ΔZ любой из призм пучок лазерного излучения смещается параллельно оптической оси канала на величину ΔY в плоскости, перпендикулярной ребрам двугранных углов призм, в соответствии с формулой (8). Поскольку первый и второй каналы повернуты вокруг своих оптических осей так, что ребра двугранных углов преломляющих компонентов 2 в них взаимно ортогональны, то перемещение одной из призм в каждом канале позволяет совместить оба пучка излучения на поверхности с поляризационным покрытием с высокой точностью по двум координатным осям. Этим обеспечивается простота и удобство юстировки каналов.As shown in figure 5, one of the prisms of the
Пара оптических клиньев 5 (фиг.1-4) установлена во втором канале системы с возможностью поворота каждого клина вокруг оптической оси. Каждый клин при вращении изменяет направление пучка лазерного излучения во втором канале на небольшой угол [6]. Взаимным поворотом клиньев 5 можно обеспечить с высокой точностью взаимную параллельность пучков излучения обоих каналов.A pair of optical wedges 5 (Figs. 1-4) are installed in the second channel of the system with the possibility of rotation of each wedge around the optical axis. Each wedge during rotation changes the direction of the laser beam in the second channel by a small angle [6]. The mutual rotation of the
Если в применяемых в системе п/п лазерах тип поляризации излучения - ТМ, то есть плоскость поляризации перпендикулярна п/п переходу, то целесообразно выполнять в преломляющем компоненте 2 угол α между преломляющими гранями призм (фиг.1-5) таким, чтобы он соответствовал условиям (9) и (10). Тогда излучение лазеров, поляризованное в плоскости падения на призмы, выходит из каждой призмы преломляющего компонента под углом β, равным углу Брюстера [7]. При этом на вторых по ходу лучей преломляющих гранях призм полностью отсутствуют потери излучения на френелевское отражение, а линейность и азимут поляризации лазерного пучка полностью сохраняются [7], благодаря этому на поляризационном покрытии суммирующего компонента 3 излучение двух лазеров выводится на единую оптическую ось без потерь.If the type of radiation polarization used in the p / p laser system is TM, that is, the plane of polarization is perpendicular to the p / j transition, then it is advisable to make the angle α between the refracting faces of the prisms in the refracting component 2 (Figs. 1-5) so that it matches conditions (9) and (10). Then the laser radiation polarized in the plane of incidence on the prisms leaves each prism of the refractive component at an angle β equal to the Brewster angle [7]. In this case, on the second along the rays of the refracting faces of the prisms, there is completely no loss of radiation due to Fresnel reflection, and the linearity and azimuth of the polarization of the laser beam are completely preserved [7], due to this, the radiation of two lasers is output to a single optical axis without loss on the polarization coating of the summing
ЛитератураLiterature
1. Справочник по лазерной технике. / Под ред. Проф. А.П.Напартовича, М.: Энергоиздат, 1991, с.139.1. Handbook of laser technology. / Ed. Prof. A.P. Napartovich, Moscow: Energoizdat, 1991, p.139.
2. Патент EP N 0100242, МПК G01В 13/00, H01S 3/00, публ. 1983 г.2. Patent EP N 0100242, IPC G01В 13/00,
3. Патент RU 2148850, МПК G02В 27/30, 27/09, публ. 2000 г.3. Patent RU 2148850, IPC G02B 27/30, 27/09, publ. 2000 year
4. Патент RU 2228505, МПК F41G 7/26, публ. 2004 г.4. Patent RU 2228505, IPC F41G 7/26, publ. 2004 year
5. Патент RU 2101743, МПК G02В 27/30, публ. 1998 г. - прототип.5. Patent RU 2101743, IPC G02B 27/30, publ. 1998 - a prototype.
6. Вычислительная оптика. Справочник. / Под общ. ред. проф. М.М.Русинова. Л.: Машиностроение, 1984 г, с.118, 217.6. Computing optics. Directory. / Under the total. ed. prof. M.M. Rusinova. L .: Mechanical engineering, 1984, p.118, 217.
7. Ю.М Климков «Прикладная лазерная оптика». М.: Машиностроение, 1985 г.7. Yu.M. Klimkov “Applied Laser Optics”. M .: Engineering, 1985
8. Е.И.Бутиков «Оптика». М.: Высшая школа, 1986 г.8. EI Butikov "Optics". M .: Higher school, 1986
9. М.А.Кругер, В.А.Панов и др. «Справочник конструктора оптико-механических приборов». Ленинград, Машиностроение, 1968 г., стр.228, 230.9. M.A. Kruger, V.A. Panov and others. "Handbook of the designer of optical-mechanical devices." Leningrad, Mechanical Engineering, 1968, p. 228, 230.
Claims (9)
Fоб=a∥/Θ∥,
выбраны такими, что обеспечивается равенство:
Θ∥=Θ⊥,
где а∥ - размер тела свечения в плоскости полупроводникового перехода;
Θ∥ и Θ⊥ - угловые расходимости коллимированного объективом пучка после преломляющего компонента по ходу лучей в плоскостях, параллельной и перпендикулярной полупроводниковому переходу соответственно;
угловая расходимость Θ⊥, обусловленная суммарным действием смещения плоскости предмета и остаточной сферической аберрации каждого коллимирующего объектива, а также действием преломляющего компонента, определяется соотношениями:
Θ⊥=(Θфок+Θсф)/Г,
Г=(1-n2·sin2α)/(1-sin2α),
где Θфок и Θсф - угловые расходимости коллимированного лазерного пучка, обусловленные смещением плоскости предмета и остаточной сферической аберрацией каждого коллимирующего объектива соответственно;
Г - видимое увеличение преломляющего компонента в плоскости, перпендикулярной ребрам двугранных углов призм;
α - угол между преломляющими гранями призм;
n - показатель преломления материала призм для длины волны излучения лазера;
и по меньшей мере на одной из преломляющих граней каждой призмы выполнено просветляющее покрытие на длину волны излучения лазера.1. An optical system for semiconductor lasers, comprising two channels with a collimating lens in each of them and a refractive component consisting of two refractive prisms mounted in series one after the other, while the edges of the dihedral angles formed by the refractive faces of the prisms are parallel to the plane of the semiconductor junction and lie on different sides from the optical axis of the beam, the angles between the refracting faces of both prisms are made within 25-40 °, the input faces of each prism are perpendicular to the beam incident on them ku, each collimating lens has a residual spherical aberration, and its subject plane is offset relative to the front focal plane, characterized in that a second refractive component is introduced into the optical system, made the same as the first, and a summing component, while the first and second refractive the components are located one in each channel behind the collimating lens along the rays, the summing component is installed behind the refracting components of both channels along the rays and has a surface with a floor with a coating that completely transmits laser radiation polarized in the plane of incidence onto a given surface and completely reflects radiation polarized in the perpendicular plane, the channels of the optical system are rotated around their optical axes so that the polarization planes of the radiation of semiconductor lasers are mutually orthogonal, and the relative position of the channels is that their optical axes intersect on the surface of the summing component with the polarization coating and coincide with each other after summing m component along the beam, wherein the collimating lenses are arranged so that their focal distance F of satisfying the condition:
F about = a ∥ / Θ ∥ ,
selected so that equality is ensured:
Θ ∥ = Θ ⊥,
where a ∥ is the size of the luminous body in the plane of the semiconductor junction;
Θ ∥ and Θ ⊥ are the angular divergences of the beam collimated by the lens after the refractive component along the rays in planes parallel and perpendicular to the semiconductor junction, respectively;
the angular divergence Θ ⊥ , due to the total effect of the displacement of the plane of the object and the residual spherical aberration of each collimating lens, as well as the action of the refractive component, is determined by the relations:
Θ ⊥ = (Θ foc + Θ sf ) / Г,
G = (1-n 2 · sin 2 α) / (1-sin 2 α),
where Θ fock and Θ sf are the angular divergences of the collimated laser beam due to the displacement of the object plane and the residual spherical aberration of each collimating lens, respectively;
G is the visible increase in the refractive component in a plane perpendicular to the edges of the dihedral angles of the prisms;
α is the angle between the refracting faces of the prisms;
n is the refractive index of the prism material for the laser radiation wavelength;
and at least one of the refracting faces of each prism is provided with an antireflection coating at the laser radiation wavelength.
ε=180°-2γ,
где ε - угол пересечения оптических осей каналов на поверхности пластины с поляризационным покрытием.2. The optical system according to claim 1, characterized in that the summing component is made in the form of a plane-parallel plate of a transparent material for laser radiation, arranged so that the plane of incidence of the radiation of the first channel on the plate coincides with the plane of polarization of the semiconductor laser, and the angle of incidence γ is equal to the Brewster angle, while the polarization coating is made on the second along the rays of the surface of the plane-parallel plate, the second channel of the optical system is located relative to the first channel so its optical axis lies in the first channel on the radiation incidence plane of the plate and intersects the first bore axis on a surface coated with a polarization angle defined by the relation:
ε = 180 ° -2γ,
where ε is the angle of intersection of the optical axis of the channels on the surface of the polarized coating plate.
ε=180°-2γ.3. The optical system according to claim 1, characterized in that the summing component is made in the form of two plane-parallel plates located on the axis of each channel obliquely and parallel to each other, while the optical axis of the channels to the summing component along the rays are parallel to each other, the angle of incidence the radiation of semiconductor lasers on the wafers is equal to the Brewster angle, and the incidence planes coincide, while in the first channel the plane-parallel wafer is made of a material transparent to the laser radiation and located Thus, the plane of incidence of the radiation of the first channel onto the wafer coincides with the plane of polarization of the semiconductor laser, and the polarization coating is made on the second surface of the plane-parallel plate along the rays, and in the second channel the plane-parallel plate is made with external mirror reflection, and the second channel is located with respect to the first channel so that its optical axis intersects with the axis of the first channel on the surface of a plane-parallel plate with a polarized coating at an angle m, determined from the ratio:
ε = 180 ° -2γ.
ΔY=ΔZ·sin(β-α)·cosβ/cosα,
где ΔY - величина смещения оптической оси в плоскости, перпендикулярной ребрам двугранных углов призм;
ΔZ - величина смещения призмы вдоль оптической оси;
α - угол между преломляющими гранями призм;
β - угол отклонения пучка от нормали к выходной грани (угол преломления).7. The optical system according to claim 1, characterized in that one of the prisms of the refractive component in each channel is made with the possibility of smooth movement along the optical axis, while the amount of parallel displacement of the optical axis in a plane perpendicular to the edges of the dihedral angles of the prisms is determined according to the formula:
ΔY = ΔZ sin (β-α) cosβ / cosα,
where ΔY is the displacement of the optical axis in a plane perpendicular to the edges of the dihedral angles of the prisms;
ΔZ is the displacement of the prism along the optical axis;
α is the angle between the refracting faces of the prisms;
β is the angle of deviation of the beam from the normal to the output face (angle of refraction).
sinα=sinβ/n,
tgβ=n,
при этом просветляющее покрытие выполнено только на первых по ходу луча преломляющих гранях обеих призм. 9. The optical system according to claim 1, characterized in that the angle α between the refractive faces of the prisms of the refractive component is made such that it meets the conditions:
sinα = sinβ / n,
tgβ = n,
while the antireflection coating is made only on the first refractive faces of both prisms along the beam.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BY20071478 | 2007-11-29 | ||
| BYA20071478 | 2007-11-29 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008140203A RU2008140203A (en) | 2010-04-20 |
| RU2390811C1 true RU2390811C1 (en) | 2010-05-27 |
Family
ID=42680568
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008140203/28A RU2390811C1 (en) | 2007-11-29 | 2008-10-09 | Optical system for semiconductor lasers |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2390811C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2481605C1 (en) * | 2011-12-02 | 2013-05-10 | Открытое акционерное общество "Красногорский завод имени С.А. Зверева" | Collimating optical system for semiconductor laser |
| RU2554541C2 (en) * | 2011-02-01 | 2015-06-27 | Финикс Контакт Гмбх Унд Ко. Кг | Wireless field device or wireless field device adapter with dismountable antenna module |
| RU193784U1 (en) * | 2019-08-27 | 2019-11-14 | Акционерное общество "Швабе -Технологическая лаборатория" | COLLIMATING OPTICAL SYSTEM FOR SEMICONDUCTOR LASER |
-
2008
- 2008-10-09 RU RU2008140203/28A patent/RU2390811C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2554541C2 (en) * | 2011-02-01 | 2015-06-27 | Финикс Контакт Гмбх Унд Ко. Кг | Wireless field device or wireless field device adapter with dismountable antenna module |
| RU2481605C1 (en) * | 2011-12-02 | 2013-05-10 | Открытое акционерное общество "Красногорский завод имени С.А. Зверева" | Collimating optical system for semiconductor laser |
| RU193784U1 (en) * | 2019-08-27 | 2019-11-14 | Акционерное общество "Швабе -Технологическая лаборатория" | COLLIMATING OPTICAL SYSTEM FOR SEMICONDUCTOR LASER |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008140203A (en) | 2010-04-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9596034B2 (en) | High brightness dense wavelength multiplexing laser | |
| US7639722B1 (en) | Multifaceted prism to cause the overlap of beams from a stack of diode laser bars | |
| US10466494B2 (en) | Reverse interleaving for laser line generators | |
| CN105428996A (en) | Multi-grating structure-based semiconductor laser beam combination device and beam combination method | |
| CN103969933A (en) | Laser light source, wavelength conversion light source, integrating light source and projection display device | |
| US7313299B2 (en) | Laser beam transformation and combination using tapered waveguides | |
| CN106532435A (en) | Semiconductor laser array beam combining device | |
| CN105762632A (en) | High-power laser high-brightness spectrum synthesis system | |
| RU2390811C1 (en) | Optical system for semiconductor lasers | |
| Schreiber et al. | High-brightness fiber-coupling schemes for diode laser bars | |
| US6611545B2 (en) | Active element for a laser source and laser source comprising such an active element | |
| Ning et al. | Collimation of laser diode beams for free space optical communications | |
| CN110036544B (en) | Laser oscillator | |
| CN103887707B (en) | A kind of semiconductor laser with high-power high light beam quality laser | |
| WO2014049358A1 (en) | Optical cell | |
| RU2339138C2 (en) | Solid-body laser with diode pumping (versions) | |
| RU2761127C1 (en) | Optical radiation adder | |
| CN112271532A (en) | Frequency doubling laser outside cavity | |
| JP5347127B2 (en) | Diode-pumped laser device using anisotropic laser crystal | |
| Bagdasarov et al. | Investigation of the characteristics of formation of the angular distribution of laser radiation in resonators with retroreflecting mirrors | |
| JP3391235B2 (en) | Semiconductor laser pumped solid-state laser amplifier | |
| Zhong et al. | Power Enhancement and Spot Homogenization Design for Arrayed Semiconductor Lasers | |
| US10795172B1 (en) | Apparatus and method of combining multiple laser beams using a negative focal length radial gradient index rod lens | |
| RU188812U1 (en) | RADIATIVE TOTAL | |
| RU2361342C1 (en) | Solid diode-pumped laser |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161010 |