СУММАТОР ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК G02B27/09 H01S5/40 

Предлагаемое изобретение относится к сумматорам оптического излучения, например полупроводниковых лазеров, и может быть использовано в технологическом оборудовании, в бытовых приборах, медицине, системах опознавания и наведения, для охраны объектов от посторонних и пожара и т.д.

Известно, что полупроводниковые лазеры имеют большие преимущества перед другими лазерами, например твердотельными, газовыми, жидкостными и т.д., в части небольших габаритов и весов, КПД их близок к 60-70%, что не требует громоздких систем охлаждения, низкие напряжения и токи питания, нет высоковольтных напряжений, работают как в непрерывном, так и в импульсном режимах, диапазон длин волн имеет широкий интервал и т.д.

Существуют сумматоры оптического излучения, например ЕР 0100242, кл. G 02 B 13/00, 1983 г., содержащие последовательно по ходу лучей положительные сферические и цилиндрические компоненты.

Недостатком таких систем являются чрезмерное увеличение продольного размера, высокая стоимость цилиндрических линз, чрезвычайная сложность обеспечения стабильности оси выходного оптического луча.

Наиболее близким устройством по технической сущности к заявленному изобретению является коллимирующая оптическая система для полупроводниковых лазеров, патент 2101743, кл. 6 G 02 В 27/30, 1998 г., содержащая полупроводниковые лазеры, первый положительный оптический компонент и группу призм. Существенным недостатком такой оптической системы является сильная зависимость ее основных характеристик от изменения температуры окружающей среды. При этом изменяются как плотность мощности и угловая расходимость луча, так и происходит уход оптической оси луча от первоначального направления. Прямое применение такой оптической системы для изготовления на ее основе приборов проблематично и требует дополнительного исследования.

Предлагаемый сумматор оптического излучения лишен выше приведенных недостатков.

Задачей изобретения является повышение мощности выходного луча путем сложения излучений группы источников, например полупроводниковых лазеров, в один мощный луч малой расходимости со стабильной выходной оптической осью при изменении температуры окружающей среды от минус 70 до плюс 70^oС и высоким КПД.

Поставленная задача достигается тем, что в оптической системе, содержащей группу источников излучения, например лазеров, оптические оси которых параллельны друг другу, последовательно расположенные по ходу лучей коллимирующие объективы и систему оптических клиньев, система оптических клиньев выполнена из четного количества пар оптических клиньев, закрепленных на несущей пластине, выполненной из материала с коэффициентом линейного расширения, согласованным с коэффициентом линейного расширения материала оптических клиньев, причем каждая четная пара оптических клиньев расположена как негативное отображение предыдущей пары, источники излучения и коллимирующие объективы объединены в одном корпусе, являющемся компенсатором температурной дефокусировки каждого коллимирующего объектива относительно излучающей площадки соответствующего источника излучения, при этом
ΔT(α₂•l₂-α₁•l₁)≤δ,
где ΔT - диапазон изменения температуры окружающей среды;
α₂ - коэффициент линейного расширения материала корпуса сумматора;
l₂ - расстояние от места крепления корпуса источника излучения на корпусе сумматора до первой линзы соответствующего коллимирующего объектива;
α₁ - коэффициент линейного расширения материала корпуса источника излучения;
l₁ - расстояние от места крепления корпуса источника излучения на корпусе сумматора до излучающей площадки источника излучения;
δ - диаметр кружка рассеяния коллимирующего объектива.

На чертеже приведена схема оптического сумматора, где 1 - полупроводниковые лазеры; 2 - коллимирующие объективы; 3 - оптические пучки; 4 - оптический клин первый; 5 - оптический клин второй; 6 - оптический клин третий; 7 - оптический клин четвертый; 8 - титановая пластина; 9 - термокомпенсационный корпус сумматора, 10 - излучающая площадка; 11 - стакан; 12 - винт затяжной; 13 - токовводы лазера; 14 - штифт.

Излучение полупроводниковых лазеров 1, расположенных преимущественно в одной плоскости, с помощью коллимирующих объективов 2 формируется в узкие параллельные лучи 3, которые падают на входную грань оптического клина 4. Вторая грань оптического клина изготовлена под таким углом, чтобы преломленные на ней оптические лучи от полупроводниковых лазеров максимально близко сблизились друг с другом, но при этом имели бы низкие потери на отражение на входной и выходной гранях оптического клина. На пути выходящих оптических лучей 3 находится входная грань второго оптического клина 5, которая располагается перпендикулярно к входящим оптическим лучам, входная грань изготовлена под таким же утлом, что и вторая грань первого оптического клина 4. Преломляясь на одной грани, оптические лучи полупроводниковых лазеров снова сближаются друг с другом, причем уменьшение сечения всех лучей происходит только в плоскости оптических клиньев и соответствует соотношению (2):
П = [l-(sinα)²]/[l-(nsinα)²], (2)
где П - уменьшение сечения в разах;
α - угол преломления на второй грани оптического клина;
n - коэффициент преломления стекла, из которого изготовлены оптические клинья.

Грани оснований оптических клиньев перпендикулярны к входным граням и расположены по разные стороны к падающим оптическим лучам полупроводниковых лазеров. Таким образом, при прохождении еще одной пары оптических клиньев 6 и 7 излучение группы полупроводниковых лазеров собирается в один мощный луч малой расходимости с высокой плотностью мощности. При существующих коэффициентах просветления такой сумматор оптического сложения излучений для полупроводниковых лазеров, например, из двух пар оптических клиньев может достигать КПД≥95% при расходимости в обоих плоскостях меньше 40'.

Для поддержания стабильности оптической оси сумматора при изменении температуры окружающей среды в диапазоне от минус 70 до плюс 70^oС блок оптических клиньев располагается на отдельной, преимущественно титановой, пластине 8, которая механическим способом крепится к термокомпенсационному корпусу сумматора 9.

При изменении температуры окружающей среды меняется как коэффициент преломления самого стекла оптического клина, так и длина волны излучения полупроводникового лазера ~0,3 нм/град. Причем каждой длине волны излучения полупроводникового лазера соответствует свой коэффициент преломления. Оптическая ось лазерного луча, выходящая после первой пары оптических клиньев 4 и 5, начнет перемещаться в плоскости оптических клиньев 4 и 5. Для стабилизации оптической оси излучения сумматора ставится вторая пара оптических клиньев 6 и 7, как негативное отображение первой пары 4 и 5 только уменьшенных размеров ввиду сближения лучей полупроводниковых лазеров согласно соотношению (2). При этом происходит изменение размеров сечения оптического луча и стабилизация оптической оси луча сумматора.

Еще одним существенным недостатком вследствие перепада температур является разбегание оптических лучей 3 полупроводниковых лазеров из-за перемещения медного корпуса полупроводникового лазера 1 по торцевой поверхности термокомпенсационного корпуса сумматора 9 ввиду разницы коэффициентов линейного расширения материалов, из которых они изготовлены.

На выходе оптического сумматора резко увеличиваются расходимость объединенного луча и размер светового поля в дальней зоне и, как следствие, уменьшается плотность мощности в луче лазера. Для того, чтобы этого не происходило, медный корпус полупроводникового лазера 1 помещается во втулку типа стакана 11 с крыльями, изготовленного из того же материала, что и термокомпенсационный корпус 9, которые соединяются вместе с помощью штифтов 14. Головки винтов 12, которыми крепятся стаканы 11 с полупроводниковыми лазерами к термокомпенсационному корпусу сумматора 9, привариваются преимущественно лазерной сваркой после затяжки к крыльям стакана 11. Вся конструкция похожа на ферму моста, опирающуюся на мощное основание. Токовводы 13 полупроводникового лазера выходят наружу через открытое дно стакана 11.

Другой целью изобретения является удержание фокальной плоскости коллимирующего объектива 2 на излучающей площадке полупроводникового лазера в диапазоне температур окружающей среды от минус 70 до плюс 70^oС не хуже диаметра кружка рассеяния коллимирующего объектива δ.
Учитывая, что коллимирующие объективы обычно имеют короткий фокус, удержание в фокальной плоскости коллимирующего объектива 2, в котором и находится дифракционная точка δ на излучающей площадке 10 полупроводникового лазера 1, является не простой задачей. Необходимо, чтобы выполнялось неравенство (3):
ΔT(α₂•l₂-α₁•l₁)≤δ, (3)
где ΔT - диапазон изменения температуры окружающей среды;
α₂ - коэффициент линейного расширения материала корпуса сумматора;
l₂ - расстояние от места крепления корпуса источника излучения на корпусе сумматора до первой линзы соответствующего коллимирующего объектива;
α₁ - коэффициент линейного расширения материала корпуса источника излучения;
I₁ - расстояние от места крепления корпуса источника излучения на корпусе сумматора до излучающей площадки источника излучения;
δ - диаметр кружка рассеяния коллимирующего объектива.

При невыполнении неравенства (3) угол расходимости оптических лучей 3 начинает меняться в больших пределах, что приводит к резкому изменению рабочих характеристик общего луча сумматора оптического излучения группы источников излучения, например полупроводниковых лазеров.

Источники информации
1. Патент ЕР 0100242, кл. 6 G 01 В 13/00, Н 01 S 3/00, 1989 г.

2. Патент 2101743, кл. 6 G 02 В 27/30, 1998 г.

3. Справочник по лазерной технике. Под редакцией проф. А.П. Напартовича. - М. Энергоиздат, 1991 г., стр. 139.

4. Laser chode product catalog. Spektra Diode Labs, 1993 г.

Сумматор содержит группу источников излучения, оптические оси которых параллельны друг другу, коллимирующие объективы и систему оптических клиньев, выполненную из четного количества пар оптических клиньев, закрепленных на несущей пластине, выполненной из материала с коэффициентом линейного расширения, согласованным с коэффициентом линейного расширения материала оптических клиньев. Каждая четная пара клиньев расположена как негативное отображение предыдущей пары. Источники излучения и объективы объединены в одном корпусе, являющемся компенсатором температурной дефокусировки объективов относительно излучающих площадок соответствующих источников излучения. При этом выполняется указанное в формуле изобретения соотношение между диапазоном изменения температуры, коэффициентами линейного расширения материалов корпусов сумматора и источника излучения, расстояниями от места крепления корпуса источника излучения до первой линзы соответствующего коллимирующего объектива и до излучающей площадки источника излучения и диаметром кружка рассеяния коллимирующего объектива. Технический результат заключается в повышении мощности выходного луча малой расходимости со стабильной выходной оптической осью при изменении температуры от -70 до 70^oС и высоким КПД. 1 ил.

Сумматор оптического излучения, содержащий группу источников излучения, например лазеров, оптические оси которых параллельны друг другу, последовательно расположенные по ходу лучей коллимирующие объективы и систему оптических клиньев, отличающийся тем, что система оптических клиньев выполнена из четного количества пар оптических клиньев, закрепленных на несущей пластине, выполненной из материала с коэффициентом линейного расширения, согласованным с коэффициентом линейного расширения материала оптических клиньев, причем каждая четная пара оптических клиньев расположена как негативное отображение предыдущей пары, источники излучения и коллимирующие объективы объединены в одном корпусе, являющемся компенсатором температурной дефокусировки каждого коллимирующего объектива относительно излучающей площадки соответствующего источника излучения, при этом
ΔT(α₂•l₂-α₁•l₁)≤δ,
где ΔT - диапазон изменения температуры окружающей среды;
α₂ - коэффициент линейного расширения материала корпуса сумматора;
l₂ - расстояние от места крепления корпуса источника излучения на корпусе сумматора до первой линзы соответствующего коллимирующего объектива;
α₁ - коэффициент линейного расширения материала корпуса источника излучения;
l₁ - расстояние от места крепления корпуса источника излучения на корпусе сумматора до излучающей площадки источника излучения;
δ - диаметр кружка рассеяния коллимирующего объектива.