КОЛЛИМИРУЮЩАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА Российский патент 1998 года по МПК G02B27/30 

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.

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.

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.

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.

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.

Другим недостатком указанной оптической системы является использование цилиндрических линз, технологически сложных в изготовлении.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 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.

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.

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.

Сферическая аберрация объектива действует таким образом, что лучи от периферийных участков выходного зрачка объектива в дальней зоне испытывают смещение в сторону оптической оси.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Источники информации
1. Патент ЕР N 0100242, кл. 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.

3. Справочник по лазерной технике./Под ред. проф. А.П.Напартовича. М. Энергоиздат, 1991, с. 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.

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

6. Вычислительная оптика. Справочник./Под общ. ред. проф. М.М.Русинова.

Л. Машиностроение, 1984, с. 217.

Использование: в оптическом приборостроении и относится к коллимирующим оптическим системам с преломляющимися элементами, может быть использовано в системах оптической локации, оптической связи, управления и наблюдательных приборах. Сущность изобретения заключается в том, что коллимирующая оптическая система для полупроводникового лазера 1 содержит последовательно расположенные по ходу лучей объектив 2, 3 и группу призм 4, 5. Ребра преломляющих двугранных углов призм 4, 5 ориентированы параллельно плоскости полупроводникового перехода. Преломляющие углы призм 4, 5 выбираются в пределах 25-40^o. Угловое увеличение Г группы призм 4, 5 выбирается из следующего соотношения: , где - углы расходимости излучения полупроводникового лазера в плоскостях, параллельной и перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода соответственно. Передняя фокальная плоскость объектива смещена относительно предметной плоскости на расстояние δ₀, определяемое соотношением: , где и a_⊥ - размеры тела свечения полупроводникового лазера в плоскостях, параллельной и перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода соответственно. Продольная сферическая аберрация δ(u) объектива выбирается из следующего соотношения: δ(u) = -2/3•δ₀•(u/θ_┴)², где U - апертурный угол объектива. 3 ил.

Коллимирующая оптическая система для полупроводникового лазера, содержащая последовательно расположенные по ходу лучей объектив и группу призм, отличающаяся тем, что 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 плокости на расстояние δ_o, 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) = -2/3S_o•(u/θ_┴)²,
где U апертурный угол объектива;
S_o> расстояние от передней фокальной плоскости объектива до предметной плоскости;
θ_┴ - угол расходимости излучения полупроводникового лазера по уровню 0,5 в плоскости, перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода.