ИЗЛУЧАТЕЛЬ ЛАЗЕРНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИНЖЕКЦИОННЫЙ Российский патент 2002 года по МПК H01S5/00 H01S5/32 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для изготовления мощного, с диаграммой направленности излучения, близкой к круглосимметричной (см. книгу Мешков В.В. "Основы светотехники", 4-1-2-е изд., 1979 г. , с. 22), излучателя лазерного, полупроводникового, инжекционного (далее ИЛПИ) импульсного режима работы с нормированной силой излучения во всех направлениях, симметричных относительно оси излучения, что бывает необходимо для систем подсветки, систем управления и наведения летающих объектов.

Все типы инжекционных излучателей и мощные ИЛПИ, в частности, имеют существенно несимметричные диаграммы направленности излучения. Так в плоскости, перпендикулярной θ_┴ и параллельной плоскости р-n-перехода расходимость излучения отличается в несколько раз (см. Х. Кейси, М. Паниш. "Лазеры на гетероструктурах", в 2-х томах, М., "Мир", 1981 г., т. 1, с. 94-96).

Известны излучатели с широким контактом на основе односторонних гетероструктур (см. там же, т. 2, с. 198, 199). Они имеют существенно несимметричную диаграмму направленности излучения: θ_┴ равно примерно (14-20)^o, а - примерно 10^o (см. там же, таблица 7.3.1).

Известны излучатели с широким контактом на основе двусторонних гетероструктур (см. там же, т. 2. с. 225). Они также имеют типовую несимметричную диаграмму направленности излучения, так значения θ_┴ и их диаграмм составляют примерно 20-40 и 10 градусов, соответственно (см. там же, т. 2, с. 225, таблица 7.4.2).

Полосковые лазеры имеют аналогичные излучательные характеристики (см. там же, т. 2, с. 288, 289).

Недостатком всех приведенных инжекционных излучателей является то, что они имеют типовую асимметричную диаграмму направленности (типа "лопатка") в дальнем поле излучения.

Наиболее близким по технической сущности аналогом - прототипом к заявляемому устройству является излучатель ИЛПИ-109 397.110 ТУ, содержащий в герметичной оболочке, состоящей из корпуса с выводами и крышки со стеклом, решетку лазерных диодов, установленных на плоскости корпуса, перпендикулярной оси излучения. Решетка лазерных диодов состоит из восьмидесяти лазерных диодов, р-n-переходы которых ориентированы в одном направлении.

Излучатель имеет типовую асимметричную диаграмму направленности (типа "лопатка") в дальнем поле при Р_и.max не менее 300 Вт.

Таким образом, все перечисленные аналоги и прототип излучателя требуют применения специальной асимметричной оптики для формирования диаграммы направленности, близкой к круглосимметричной. При этом для получения требуемой ширины диаграммы направленности излучения необходимо увеличивать его расходимость в плоскости, параллельной р-n-переходам (где расходимость минимальна), что приводит к адекватному снижению силы излучения вдоль оси излучения. Кроме того, разработка, изготовление и применение формирующей оптики для решетки лазерных диодов является сложной и дорогостоящей задачей.

Сущность изобретения в следующем. Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании малогабаритного мощного с большой расходимостью (до 30 градусов по уровню 0,5) излучателя лазерного, полупроводникового, инжекционного импульсного режима работы с диаграммой направленности дальнего поля излучения, близкой к круглосимметричной без использования формирующей оптики.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в излучателе лазерном полупроводниковом инжекционном импульсного режима работы, содержащем в герметичной оболочке, состоящей из корпуса с выводами и крышки со стеклом, решетку лазерных диодов, установленных на плоскости корпуса, перпендикулярной оси излучения, решетка лазерных диодов выполнена в виде n одинаковых блоков лазерных диодов, минимальное число которых определено соотношением:

где типовая расходимость излучения блока лазерных диодов в плоскости, параллельной p-n-переходам по уровню 0,5;
θ_и- расходимость излучения излучателя по заданному уровню силы излучения,
а все n блоков лазерных диодов развернуты друг относительно друга в плоскости, перпендикулярной оси излучения, причем углы между направлениями их p-n-переходов и направлением начала отсчета углов в плоскости зеркал образуют ряд 0, α, 2α,...,(n-1)α градусов, где α =180•n^-1 градусов.

Кроме того, все n блоков лазерных диодов расположены по окружности с угловым шагом 2α относительно ее центра, причем диаметр окружности выбран минимальным.

Вследствие изготовления решетки лазерных диодов в виде n блоков лазерных диодов и последовательного разворота их относительно друг друга на нормированный угол, диаграмма направленности излучателя становится близкой к круглосимметричной.

Вследствие расположения всех блоков лазерных диодов с угловым шагом 2α по окружности минимального диаметра линейные размеры тела свечения, а следовательно, и всего излучателя становятся минимальными.

Минимальное количество блоков лазерных диодов n и угол их взаимного разворота α однозначно определены типовым значением угла расходимости используемых блоков лазерных диодов в плоскости, параллельной p-n-переходам по уровню 0,5 и требуемой расходимостью излучения излучателя θ_и по заданному уровню силы излучения. Верхнее значение угла θ_и ограничивается значением типовой расходимости используемых блоков лазерных диодов в плоскости, перпендикулярной р-n-переходу по уровню, где еще обеспечивается требуемая сила излучения.

Выбор числа блоков лазерных диодов и ориентация их в излучателе под различными углами согласно п.1 формулы изобретения обеспечивает форму диаграммы направленности излучателя, близкую к круглосимметричной в конусе с углом при вершине относительно оси излучения, так как именно по образующей этого конуса сопрягаются излучения каждой "соседней" пары блоков ("соседних" в порядке увеличения угла их разворота в ряду 0, α, 2α,..., (n-1)α) по уровню не менее 0,5 от максимальной силы излучения каждого блока в направлении от оси излучателя. В результате сложения соседних полей по уровням 0,5 и выше в диаграмме направленности излучателя не может быть провалов силы излучения ниже наперед заданной типовыми характеристиками используемых блоков лазерных диодов.

Сущность технического решения поясняется графическими материалами, примером конкретного исполнения и описанием.

На фиг.1 представлена конструкция реализуемого излучателя.

На фиг.2 - эпюры индикатрис дальнего поля излучения.

На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - 10 - блоки лазерных диодов,
11 - 20 - индикатрисы дальнего поля излучения блоков лазерных диодов соответственно 1 - 10 (т.е. 11 соответствует 1, 12 соответствует 2 и т.д.),
21 - индикатриса, дальнего поля излучателя;
22 - корпус с выводами.

В предлагаемом излучателе (фиг.1) решетка лазерных диодов изготовлена в виде n одинаковых блоков лазерных диодов. В приведенном примере число блоков равно десяти. Блоки лазерных диодов установлены на корпусе с выводами "+" и "-" в соответствии с фиг.1. Штриховые линии в блоках совпадают с направлениями их р-n-переходов в плоскости зеркал. Блоки лазерных диодов расположены равномерно по окружности с угловым шагом 2α, так, что p-n-переходы каждого блока 1, 3, 5, 7, 9 направлены к центру окружности (параллельны линии, соединяющей центр блока лазерного диода и центр окружности), а p-n-переходы блоков 2, 4, 6, 8, 10 развернуты относительно направления к центру окружности на угол α по часовой стрелке вокруг своей оси. Вследствие этого характерные оси диаграмм направленности (параллельно и перпендикулярно p-n-переходам) последовательности блоков лазерных диодов 1, 2, 3,...,10 оказываются развернутыми друг относительно друга в плоскости, перпендикулярной оси излучателя, и образуют ряд углов 0, α, 2α,..., 9α, формируя диаграмму направленности излучателя близкой к круглосимметричной.

На фиг.2 показаны эпюры индикатрис дальнего поля излучателя 11 и каждого из десяти блоков лазерных диодов 1, 2, 3,...,10 в плоскости, параллельной p-n-переходу по образующей конуса с углом при вершине относительно оси излучателя. Для наглядности дана линейная развертка излучения по полуокружности (0-180^o) в направлении Число блоков лазерных диодов n выбрано минимальным и уровень сопряжения "соседних" полей излучения составляет 0,5.

При увеличении числа блоков n или (и) снижении угла в пределах "соседние" поля излучения блоков лазерных диодов сопрягаются по уровню выше 0,5. В результате обеспечиваются требуемые уровни силы излучения в пределах конуса с углом при вершине θ_и при диаграмме направленности, близкой к круглосимметричной.

Дополнительное достоинство описанного излучателя - формирование требуемой диаграммы направленности выполнено без снижения силы излучения вдоль его оси.

Отличия диаграмм направленности от круглосимметричной в разных направлениях объясняются как разбросом пространственных характеристик используемых лазерных структур, так и дефектами технологии изготовления блоков лазерных диодов и сборки излучателей. Так у ста изготовленных излучателей относительные изменения силы излучения отдельных излучателей в каждом направлении (по кругу) 10, 20 и 30^o составили от 1,2 до 2 раз, в то время как у аналогов и прототипа эти изменения составляют десятки раз.

Пример конкретного исполнения.

Излучатель лазерный полупроводниковый инжекционный был реализован в соответствии с фиг. 1: общее число диодов в лазерной решетке - 1200; число блоков n лазерных диодов равно 10 (расчетное число блоков n=9) при типовой расходимости блока лазерных диодов и расходимости излучения излучателя θ_и= 60^°; угол разворота блоков лазерных диодов α=18^o.

Каждый блок лазерных диодов был набран из 120 лазерных диодов. Размеры блока 2х2 мм без учета электрических шинок. Блоки устанавливали на корпус 12 с помощью теплопроводящего клея. Электрические шинки блоков лазерных диодов были распаяны по схеме фиг.1.

Корпус 12 и крышку со стеклом (на фиг.1 и фиг.2 не показаны) соединяли методом холодной сварки.

Излучатели имели следующие основные параметры: максимальная мощность импульсов излучения Р_и.max не менее 1000 Вт; расходимость излучения по заданному уровню θ_и=60^o; диаграмма направленности близка к круглосимметричной; минимальная сила излучения I_е по оси излучателя θ=0 градусов и по образующим конусов θ= 10, 20, 30 градусов (по кругу относительно оси) в пределах, приведенных в таблице.

Максимальный линейный размер тела свечения - 13 мм.

В настоящее время в рамках ОКР заканчивается разработка подобного излучателя Л-I7, изготовлено более 150 ИЛПИ согласно предлагаемому техническому решению.

Полученные характеристики излучения подтверждают достоинства ИЛПИ:
- диаграмма направленности обеспечивает требуемую силу излучения в заданном угле и близка к круглосимметричной;
- размеры тела свечения оптимизированы, размеры и масса излучателя остались в пределах типового корпуса.

Изобретение относится к лазерной технике. Предложен излучатель лазерный полупроводниковый инжекционный, содержащий в герметичной оболочке, состоящей из корпуса с выводами и крышки со стеклом, решетку лазерных диодов, установленных на плоскости корпуса, перпендикулярной к оси излучения. Решетка лазерных диодов выполнена в виде одинаковых блоков лазерных диодов, минимальное число которых определено соотношением

где θ_∥ - типовая расходимость излучения блока лазерных диодов в плоскости, параллельной р-n-переходам по уровню 0,5; θ_и- расходимость излучения излучателя по заданному уровню силы излучения, а все n блоков лазерных диодов развернуты друг относительно друга в плоскости, перпендикулярной к оси излучения, причем углы между направлениями их р-n-переходов и направлением начала отсчета углов в плоскости зеркал образуют ряд 0,α,2α,...,(n-1)α градусов, где α = 180•n^-1 градусов. Все n блоков лазерных диодов расположены по окружности с угловым шагом 2α относительно ее центра, причем диаметр окружности выбран минимальным. В результате появляется возможность создания малогабаритного, мощного, с большой расходимостью излучателя с импульсным режимом работы, с диаграммой направленности дальнего поля излучения, близкой к круглосимметричной, без использования формирующей оптики. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Излучатель лазерный полупроводниковый инжекционный, содержащий в герметичной оболочке, состоящей из корпуса с выводами и крышки со стеклом, решетку лазерных диодов, установленных на плоскости корпуса, перпендикулярной к оси излучения, отличающийся тем, что решетка лазерных диодов выполнена в виде одинаковых блоков лазерных диодов, минимальное число которых определено соотношением

где θ_∥ - типовая расходимость излучения блока лазерных диодов в плоскости, параллельной p-n-переходам по уровню 0,5;
θ_и- расходимость излучения излучателя по заданного уровню силы излучения,
а все n блоков лазерных диодов развернуты друг относительно друга в плоскости, перпендикулярной к оси излучения, причем углы между направлениями их p-n переходов и направлением начала отсчета углов в плоскости зеркал образуют ряд 0,α,2α,...,(n-1)α градусов, где α =180•n^-1 градусов. 2. Излучатель лазерный полупроводниковый инжекционный по п.1, отличающийся тем, что все n блоков лазерных диодов расположены по окружности с угловым шагом 2α относительно ее центра, причем диаметр окружности выбран минимальным.