ЛИНЕЙКА ЛАЗЕРНЫХ ДИОДОВ Российский патент 2001 года по МПК H01S5/42 

Изобретение относится к области полупроводниковых лазеров и предназначено для синхронизации элементов многолучевых лазеров с селекцией поперечных супермод резонатора за счет использования эффекта Тальбо.

Изобретение может быть использовано в волоконно-оптической связи, медицине, при обработке материалов.

Линейные наборы лазеров используются для получения более высоких мощностей при сложении излучений большого числа отдельных лазеров. В некоторых приложениях, однако, требуется высокая интенсивность излучения, которая может быть получена, если излучение отдельных лазеров, составляющих набор, является когерентным. Максимальная интенсивность при фиксированной мощности достигается, если излучение является одномодовым.

Известно устройство [1] , которое обеспечивает одномодовое излучение с расходимостью, близкой к дифракционному пределу, соответствующему синтезированной апертуре, использующее эффект Тальбо, состоящий в воспроизведении на определенных расстояниях от периодического набора излучателей исходных распределений оптических полей. Эффект Тальбо позволяет организовать эффективный обмен излучением между отдельными лазерами во внешнем резонаторе за счет дифракции, обеспечивая когерентность линейного набора и возможность получения расходимости излучения, близкой к дифракционному пределу при селекции мод резонатора.

Известно [2] также, что линейный набор когерентных излучателей способен генерировать излучение, как минимум, двух поперечных супермод: синфазной и антифазной. Распределение интенсивности излучения в дальней зоне для синфазной супермоды состоит из дифракционных пичков, угловые направления на которые описываются формулой:
(1)
а для антифазной супермоды:
(2)
где p = 0,±1, ±2..., λ - длина волны излучения, d - период следования элементов набора, а сами углы малы. В пределах угла -λ/d<ψ<λ/d синфазная супермода имеет единственный пик, и вся мощность излучения когерентного набора излучателей может быть в нем сконцентрирована. Для антифазной супермоды мощность распределена между двумя пиками, направленными под углами ψ = ±λ/2d. Учитывая, что для большинства приложений необходима единственная точка, в которую фокусируется интенсивное излучение, то предпочтительно, чтобы линейка генерировала единственную синфазную супермоду.

Прототипом изобретения является устройство [3] - миниатюрный резонатор Тальбо для контроля модового состава сфазированной линейки. Устройство включает (фиг. 2) линейку 1 лазерных диодов 2/5 с просветляющим покрытием внешнего торца 6, причем оптические оси лазерных диодов лежат в одной плоскости, эквидистантны и параллельны, линейный набор микрооптических линз Френеля 7, цилиндрическое внешнее зеркало 8, с нанесенными на выходной поверхности слоями 12, обеспечивающими частичное отражение (R=50%) или отсутствие отражения (R=0%) излучения. Внешний резонатор выполнен из плавленого кварца, а расстояние до отражающей цилиндрической поверхности выбирается из условия самовоспроизведения оптических полей: L = nd² λ, где n - показатель преломления среды (плавленого кварца), d - период следования лазерных диодов в линейке, λ - длина волны излучения. Эффект Тальбо обеспечивает периодическое распределение интенсивности излучения в направлении, параллельном линейке, а частично отражающие слои селектируют модовый состав резонатора. Радиус кривизны цилиндрического внешнего зеркала в плоскости, перпендикулярной р-n переходу, выбран из условия фокусировки излучения в диод при отражении от цилиндрического внешнего зеркала.

К недостаткам описанного устройства можно отнести следующее. Во-первых, использование маломощных одномодовых в поперечном направлении лазерных диодов с шириной излучающего полоска S=8 мкм не позволяет получить высокую среднюю мощность в сфазированном режиме. Во-вторых, малое значение периода следования лазерных диодов в линейке требует большого числа синхронизированных диодов (N ~ 200) для получения дифракционно-ограниченного излучения с расходимостью δψ = 10^-4 рад от синтезированной апертуры D = Nd = 1 см. Но хорошо известно [4,5], что при фиксированной величине коэффициента заполнения линейки f=s/d селективность резонатора, а именно разность коэффициентов потерь ближайших супермод с индексами ν = N и ν = N-1 падает ~ 1/(Nf)² при больших N, что, в свою очередь, ведет к одновременной генерации многих супермод, приводя к значительному уширению диаграммы направленности. В-третьих, малая величина d при использовании эффекта Тальбо делает внешний резонатор компактным (при d = 50 мкм, λ = 0,8 мкм, L=d² ≈ λ 1,6 мм), что позволяет относительно легко обеспечивать достаточный для генерации уровень обратной связи. Однако серьезные трудности возникают при увеличении периода до значений d ≈ 200 - 400 мкм, что характерно для мощных линеек. В этом случае длина внешнего резонатора может составлять L=20 см, что ведет к значительным дифракционным потерям резонатора и необходимости использования прецизионной микрооптики.

Таким образом, актуальной является задача селекции синфазной супермоды на основе эффекта Тальбо, но в резонаторе умеренных размеров (L ≈ 2 - 5 см) без использования каких-либо пространственных фильтров. Использование же слоев с чередующимися коэффициентами отражения и поглощения в описываемом устройстве, по сути, есть пространственный фильтр, что снижает общую эффективность резонатора и является еще одним недостатком описанного устройства.

Технической задачей изобретения является обеспечение селекции синфазной супермоды резонатора четверть-тальботовской длины (L = Z_T/4 = d²/2 λ ) за счет эффекта Тальбо при использовании широкоапертурных многомодовых в поперечном направлении лазерных диодов с шириной полоска S > 50 мкм и периодов следования d > 100 мкм, что типично для мощных линеек.

Для решения поставленной технической задачи использована линейка лазерных диодов с просветляющим покрытием внешнего торца, имеющая высокоотражающее покрытие заднего глухого торца, содержащая лазерные диоды, цилиндрическую микролинзу, плоское внешнее зеркало, причем в линейке использованы широкоапертурные (S > 50 мкм) многомодовые, в поперечном направлении, лазерные диоды, режим работы которых переведен из собственного многомодового в одномодовый в поперечном направлении во внешнем резонаторе, в котором лазерные диоды синхронизированы за счет дифракционного обмена излучением при отражении от плоского внешнего зеркала резонатора длиной, определяемой формулой
L = Z_T/4 = d²/2 λ (3)
где Z_T - расстояние Тальбо, определяемое формулой Z_T = 2d² λ, при одновременном выполнении условия связывающего ширину полоска S лазерного диода и длину внешнего резонатора L:
N_F= S/2)²/λL≅1, (4)
где N_F - число Френеля резонатора,
а селекция синфазной супермоды реализована за счет наклона плоского внешнего зеркала в плоскости XZ на угол
, (5)
а селекция антифазной супермоды - за счет наклона на ,
где m = 0,± 1, ± 2...

На фиг. 1 представлено устройство для синхронизации излучений линейного набора полупроводниковых лазеров во внешнем резонаторе - (аналог) [1], где: 1 - линейка, 2,3,4,5 - лазерные диоды, 6 - просветляющее покрытие внешнего торца, 7 - линейный набор микролинз Френеля, 10 - высокоотражающее покрытие заднего глухого торца линейки, 11 - плоское внешнее зеркало.

На фиг. 2 приведена схема устройства для синхронизации излучений линейного набора полупроводниковых лазеров во внешнем резонаторе и селекции синфазной супермоды - (прототип), где 1 - линейка, 2,3,4,5 - лазерные диоды, 6 - просветляющее покрытие внешнего торца, 7 - линейный набор микролинз Френеля, 8 - цилиндрическое внешнее зеркало, 10 - высокоотражающее покрытие заднего глухого торца линейки, 12 - слои зеркала 8 с изменяющимся коэффициентом отражения.

На фиг. 3 изображена схема предложенного устройства, где 1 - линейка, 2,3,4,5 -широкоапертурные, многомодовые лазерные диоды, 6 - просветляющее покрытие внешнего торца, 9 - цилиндрическая микролинза, 10 - высокоотражающее покрытие заднего глухого торца линейки, 11 - плоское внешнее зеркало.

На фиг. 4а, б представлено распределение интенсивности излучения сфазированной линейки для синфазной супермоды, где 2-5 - лазерные диоды, 13 - распределение интенсивности излучения в плоскости линейки при отражении от зеркала 11.

На фиг. 5а, б приведено распределение интенсивности излучения в дальней зоне полученное от сфазированной линейки из N=8 широкоапертурных лазерных диодов для антифазной (а) и синфазной (б) супермод.

Предложенное устройство работает следующим образом. Излучение линейки 1 лазерных диодов 2,3,4,5 расходится вследствие дифракции на выходной апертуре. Для предотвращения больших дифракционных потерь резонатора в плоскости YZ, перпендикулярной р-n переходу, перед линейкой устанавливается цилиндрическая микролинза 9, обеспечивающая коллимацию излучения в плоскости, перпендикулярной р-n переходу. Расстояние между цилиндрической микролинзой и внешним торцом линейки с просветляющим покрытием, которое наносится с целью предотвращения развития генерации на торцах лазерных диодов, подбирается из условия минимальной расходимости сколлимированного излучения. После прохода цилиндрической микролинзы излучение распространяется свободно до плоского внешнего зеркала 11, которое совместно с высокоотражающим покрытием заднего глухого торца 10 линейки образуют резонатор с внешним зеркалом, т.е. внешний резонатор.

Синхронизация излучений лазерных диодов происходит за счет дифракционного обмена излучением в плоскости XZ р-n перехода во внешнем резонаторе при отражении от плоского внешнего зеркала 9 и его возвращении на линейку лазерных диодов. Дифракционный предел излучения синтезированной апертуры D = Nd, составленной из широкоапертурных лазерных диодов, излучающих собственное многомодовое излучение в поперечном направлении, достигается за счет перевода работы лазерных диодов из многомодового в одномодовый в поперечном направлении, что реализовано во внешнем резонаторе без значительного снижения мощности и применения диафрагм при условии, вытекающем из формулы (4) L ≥ (S/2)²/λ и селекции одной (синфазной) супермоды резонатора.

Селекция синфазной супермоды, распределение 13 интенсивности излучения которой в плоскости линейки приведено на фиг. 4а, реализована во внешнем резонаторе длиной L = Z_T/4 = d²/2 λ за счет наклона плоского внешнего зеркала в плоскости XZ на угoл Φ = λ/2d, что приводит к смещению распределения интенсивности в плоскости линейки на величину d/2, представленного на фиг. 4б. Таким образом, дифракционное изображение линейки, соответствующее синфазной супермоде, совмещено с лазерными диодами 2-5 и для нее обеспечена максимальная добротность резонатора с плоским внешним зеркалом 11.

Таким образом, предложенное устройство решает следующие частные технические задачи:
за счет использования широкоапертурных, многомодовых лазерных диодов повышена мощность излучения в сфазированном режиме;
за счет подбора параметров ширины полоска лазерного диода S и длины внешнего резонатора L получен одномодовый в поперечном направлении режим генерации излучения единичного лазерного диода во внешнем резонаторе, что необходимо для достижения дифракционного предела расходимости излучения, соответствующего синтезированной апертуре D=Nd;
за счет наклона плоского внешнего зеркала обеспечена селекция синфазной супермоды резонатора;
за счет одновременной двойной селекции мод и супермод внешнего резонатора обеспечено достижение дифракционного предела расходимости излучения, соответствующего синтезированной апертуре D=Nd.

Сопоставительный анализ предложенного устройства с аналогами и с прототипом и анализ других источников информации дает основание считать, что заявляемое устройство находится в соответствии с критерием "новизна".

При сравнении формулы изобретения с другими техническими решениями в данной области техники не обнаружено решений, обладающих сходными признаками и решающих аналогичные технические задачи, что позволяет сделать вывод о соответствию критерию "изобретательский уровень".

Увеличивая число лазерных диодов, можно повысить мощность и интенсивность излучения в сфазированном режиме. Данное устройство может быть использовано при синхронизации двумерных матриц лазерных диодов.

Пример
Экспериментально продемонстрирована селекция синфазной супермоды за счет наклона плоского внешнего зеркала резонатора на угол Φ = λ/2d = 2 мрад в соответствии с (5), установленного на расстоянии L=Z_T/4=d²/2 λ = 2,5 см, при котором наблюдается эффект Тальбо в соответствии с (3), при обеспечении одномодовости излучения в поперечном направлении единичного лазерного диода во внешнем резонаторе, в соответствии с (4). Сфазированная линейка состояла из N = 8 широкоапертурных (S = 120 мкм) лазерных диодов, расположенных с периодом следования d = 200 мкм, излучающих на длине волны λ ≈ 0,8 мкм. Цилиндрическая микролинза с диаметром ⊘ = 350 мкм располагалась на расстоянии ≈ 500 мкм от внешнего торца линейки с просветляющим покрытием и обеспечивала коллимацию излучения в плоскости, перпендикулярной р-n переходу.

На фиг. 5а представлен снимок распределения интенсивности излучения в дальней зоне, с шириной главного максимума δψ 0,5 мрад, что соответствует дифракционному пределу излучения для N = 8, λ = 0,8 мкм, d=200 мкм. Учитывая, что направления на дифракционные пички описываются формулой (2), а картина имеет четное число пичков, то зарегистрированное распределение соответствует антифазной супермоде, которая имеет минимальные потери [1] для внешнего резонатора длиной L= Z_T/4=d²/2 λ при условии параллельности поверхностей плоского внешнего зеркала и просветленного внешнего торца линейки лазерных диодов. Синфазная супермода при данных условиях имеет максимальные потери, что иллюстрирует фиг. 4а.

Наклоняя плоское внешнее зеркало на угол Φ = λ/2d, получено распределение интенсивности излучения, приведенное на фиг. 5б. Так как направления на дифракционные пички описываются формулой (1), а число пичков нечетно, то рассматриваемое распределение соответствует синфазной супермоде, добротность которой увеличена за счет совмещения дифракционного изображения линейки лазерных диодов и самих диодов, что иллюстрирует фиг. 4б.

Генерация синфазной супермоды была получена при токе I = 1,2 А на один диод. Дальнейшее увеличение тока не приводило к срыву сфазированного режима, а лишь сопровождалось снижением контраста картины, что свидетельствует о появлении некогерентного фона.

Таким образом, в описанном устройстве использовано фундаментальное свойство внешнего резонатора выделять одну поперечную моду для единичного лазерного диода при длине резонатора L, удовлетворяющей условию (4), а также селектировать супермоды сфазированного набора излучателей при условиях (3,5), что позволяет получить дифракционную расходимость пичков, причем размер полоска, а значит и мощность излучения лазерного диода, может быть произвольной.

Литература
1. Coherent beam combining of lasers using microlenses and diffractive coupling. Patent number 4813762, Mar. 21, 1989.

2. Mehuys D., Streifer W., Waarts R., Welch D., Optics Letters, 16, 823, (1991).

3. Miniature Talbot cavity for lateral mode control of laser array. Patent number 5027359, Jan. 25, 1991.

4. Голубенцев А. А. , Лиханский В.В., Напартович А.П., ЖЭТФ, 93, 1199 (1987).

5. Аполлонов В. В. , Кислов В.И., Прохоров А.М., Квантовая Эл-ка, 23, 1081, (1996).

Изобретение относится к полупроводниковым лазерам и может быть использовано в волоконно-оптической связи, медицине, при обработке материалов. Линейка лазерных диодов с просветляющим покрытием внешнего торца имеет высокоотражающее покрытие заднего глухого торца, содержит лазерные диоды, цилиндрическую микролинзу, плоское внешнее зеркало, причем в линейке использованы широкоапертурные многомодовые, в поперечном направлении, лазерные диоды, режим работы которых переведен из собственного многомодового в одномодовый в поперечном направлении во внешнем резонаторе, в котором лазерные диоды синхронизированы за счет дифракционного обмена излучением при отражении от плоского внешнего зеркала. Селекция синфазной супермоды реализована за счет наклона плоского внешнего зеркала в плоскости р-n перехода на угол Φ= [(2m+1)λ/2d] для синфазной супермоды и Φ=[mλ/d] для антифазной супермоды, где m= 0, ± 1, ± 2... Технический результат: обеспечение селекции синфазной супермоды резонатора четвертьтальботовской длины при использовании широкоапертурных многомодовых в поперечном направлении лазерных диодов, используемых в мощных линейках. 5 ил.

Линейка лазерных диодов с просветляющим покрытием внешнего торца, имеющая высокоотражающее покрытие заднего глухого торца, содержащая лазерные диоды, плоское внешнее зеркало, отличающаяся тем, что для коллимации излучения линейки в плоскости, перпендикулярной p-n переходу, применена цилиндрическая микролинза, а в линейке использованы широкоапертурные многомодовые, в поперечном направлении, лазерные диоды, режим работы которых переведен из собственного многомодового в одномодовый в поперечном направлении во внешнем резонаторе, в котором лазерные диоды синхронизированы за счет дифракционного обмена излучением при отражении от плоского внешнего зеркала резонатора длиной L = Z_Т / 4, где Z_Т - расстояние Тальбо, определяемое формулой Z_Т = 2d² / λ, d - период следования лазерных диодов в линейке, λ - длина волны излучения, при одновременном выполнении условия, связывающего ширину полоска S лазерного диода и длину внешнего резонатора L : N_F= (S/2)²/λ•L ≅ 1, где N_F - число Френеля резонатора, а селекция супермод внешнего резонатора длиной L = Z_Т / 4 реализована за счет наклона плоского внешнего зеркала в плоскости p-n перехода на угол Φ = [(2m + 1) λ / 2d] для синфазной супермоды и Φ = [mλ / d] для антифазной супермоды, где m = 0, ±1, ±2 ...