КОЛЛИМИРУЮЩАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ Российский патент 2006 года по МПК G02B27/09 G02B27/30 

Изобретение относится 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, 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 20-40°, преломляющий угол призм выбирается в пределах 10-40°, а угол β ориентации призм по отношению к оптической оси связан с преломляющим углом α соотношением β=(2÷3)α (Авторское свидетельство СССР №1624392, кл. 6 G 02 B 27/30, заявл. 26.12.88, опубл. 30.01.91, бюл. №4).

Как следует из описания, наиболее эффективным является применение указанной оптической системы для коллимирования излучения полупроводниковых лазеров. При этом отпадает необходимость в первом оптическом компоненте.

Недостатком указанной оптической системы является недостаточно высокая энергетическая яркость выходного пучка. Причиной недостаточно высокой энергетической яркости является ограниченная энергетическая яркость тела свечения полупроводниковых лазеров.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой оптической системе является коллимирующая оптическая система для полупроводникового лазера, содержащая последовательно расположенные по ходу лучей объектив и группу призм, ребра преломляющих двугранных углов которых ориентированы параллельно плоскости полупроводникового перехода, преломляющие углы призм выбираются в пределах 25-40°, угловое увеличение G группы призм выбирается из следующего соотношения:

G=θ_⊥/θ_||,

где θ_⊥, θ_|| - 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:

δ₀=(a_||-G·a_⊥)/(5/6·D·θ_⊥/θ_||),

где a_||, a_⊥ - 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)=-2/3·δ₀·(u/θ_⊥)²,

где u - апертурный угол объектива (Патент РФ №2107743, кл. 6 G 02 B 27/30, заявл. 12.01.95, опубл. 10.01.98, бюл. №1).

Как следует из описания, коллимирующая оптическая система может быть использована для получения коллимированного пучка от нескольких полупроводниковых лазеров. При этом вместо одного объектива используется несколько объективов, установленных напротив полупроводниковых лазеров, а угловое увеличение G группы призм выбирается из следующего соотношения:

G=k·θ_⊥/θ_||,

где θ_||, θ_⊥ - углы расходимости излучения полупроводниковых лазеров в плоскостях, параллельной и перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода соответственно, k - количество полупроводниковых лазеров.

Недостатком указанной оптической системы является недостаточно высокая энергетическая яркость выходного пучка. Причиной недостаточно высокой энергетической яркости является ограниченная энергетическая яркость тела свечения полупроводниковых лазеров.

Технической задачей изобретения является увеличение энергетической яркости выходного пучка.

Технический результат достигается тем, что в коллимирующей оптической системе для полупроводниковых лазеров, содержащей последовательно расположенные по ходу лучей объективы, установленные напротив полупроводниковых лазеров, и первую группу призм, ребра преломляющих двугранных углов которых ориентированы параллельно плоскостям полупроводниковых переходов, введены установленные последовательно по ходу лучей за первой группой призм первый положительный компонент, вторая группа призм, размещенная вблизи задней фокальной плоскости первого положительного компонента и разделяющая входящий световой пучок по линии, перпендикулярной плоскостям полупроводниковых переходов, на два пучка, поляризационную призму, размещенную на пути указанных световых пучков и совмещающую их в пространстве в один общий световой пучок, и второй положительный компонент, передняя фокальная плоскость которого совмещена с задней фокальной плоскостью первого положительного компонента.

Увеличение энергетической яркости выходного пучка обеспечивается совмещением в пространстве двух световых пучков от двух участков тела свечения каждого из полупроводниковых лазеров с помощью поляризационной призмы.

В частном случае в коллимирующей оптической системе для полупроводниковых лазеров вторая группа призм выполнена в виде двух призм, первая из которых установлена вблизи задней фокальной плоскости первого положительного компонента и имеет четыре отражающие грани, при этом входная и выходная грани ориентированы перпендикулярно падающему на призму световому пучку и параллельно входной грани поляризационной призмы для р-поляризации, первая и четвертая отражающие грани ориентированы под углом 45° к падающему на призму световому пучку и перпендикулярно плоскостям полупроводниковых переходов, вторая и третья отражающие грани ориентированы параллельно падающему на призму световому пучку и под углом 45° к плоскостям полупроводниковых переходов, границы входной и первой отражающей граней со стороны ребра двугранного угла, образованного этими гранями, ориентированы перпендикулярно плоскостям полупроводниковых переходов и расположены на пересечении с осью падающего на призму светового пучка, а вторая призма установлена на пути лучей, прошедших мимо первой призмы, и имеет две отражающие грани, при этом входная грань ориентирована перпендикулярно падающему на призму световому пучку, выходная грань ориентирована параллельно падающему на призму световому пучку и параллельно входной грани поляризационной призмы для s-поляризации, первая отражающая грань ориентирована под углом 45° к падающему на призму световому пучку и под углом 45° к плоскости полупроводниковых переходов, вторая отражающая грань ориентирована параллельно падающему на призму световому пучку и под углом 45° к плоскостям полупроводниковых переходов.

Выполнение второй группы призм в виде двух призм наиболее простым способом обеспечивает разделение двух пучков от двух участков тел свечения каждого из полупроводниковых лазеров и совмещение их в пространстве с помощью поляризационной призмы.

На фиг.1 показана коллимирующая оптическая система для полупроводниковых лазеров, поперечный разрез в плоскости, перпендикулярной плоскости полупроводниковых переходов, на фиг.2 - то же в плоскости, параллельной плоскости полупроводниковых переходов. На фиг.3 показана вторая группа призм, вид со стороны входа лучей. На фиг.4 показано изображение тела свечения полупроводниковых лазеров, два вида - до прохождения и после прохождения лучей через вторую группу призм и поляризационную призму.

Коллимирующая оптическая система содержит последовательно расположенные по ходу лучей коллимирующие объективы 2, установленные напротив полупроводниковых лазеров 1, первую группу призм, первый положительный компонент 7, вторую группу призм, поляризационную призму 10 и второй положительный компонент 11.

Первая группа призм образована четырьмя призмами 3, 4, 5 и 6, каждая из них имеет две преломляющие грани. Ребра двугранных углов, образованных преломляющими гранями призм, ориентированы параллельно плоскостям полупроводниковых переходов полупроводниковых лазеров 1.

В системе координат, показанной на фиг.1-2, плоскости полупроводниковых переходов ориентированы параллельно плоскости YZ, оптические оси объективов ориентированы параллельно оси Z, а ребра преломляющих двугранных углов призм - параллельно оси Y.

Вторая группа призм размещена вблизи задней фокальной плоскости первого положительного компонента 7 и разделяет входящий световой пучок по линии, перпендикулярной плоскостям полупроводниковых переходов, на два пучка. Поляризационная призма 10 размещена на пути указанных световых пучков и совмещает их в пространстве в один общий световой пучок.

В системе координат, показанной на фиг.1-3, линия, разделяющая входящий световой пучок, параллельна оси X. Входная грань поляризационной призмы 10 для р-поляризации перпендикулярна оси Z, входная грань для s-поляризации перпендикулярна оси Y.

Передняя фокальная плоскость второго положительного компонента 11 совмещена с задней фокальной плоскостью первого положительного компонента 7, так что указанные компоненты составляют телескопическую систему.

В частном случае вторая группа призм образована двумя призмами 8 и 9.

Призма 8 установлена вблизи задней фокальной плоскости первого положительного компонента и имеет четыре отражающие грани. Входная и выходная грани призмы 8 ориентированы перпендикулярно падающему на призму световому пучку и параллельно входной грани поляризационной призмы 10 для р-поляризации. Первая и четвертая отражающие грани ориентированы под углом 45° к падающему на призму световому пучку и перпендикулярно плоскостям полупроводниковых переходов. Вторая и третья отражающие грани ориентированы параллельно падающему на призму световому пучку и под углом 45° к плоскостям полупроводниковых переходов. Границы входной и первой отражающей граней со стороны ребра двугранного угла, образованного этими гранями, ориентированы перпендикулярно плоскостям полупроводниковых переходов и расположены на пересечении с осью падающего на призму светового пучка.

Призма 9 установлена на пути лучей, прошедших мимо первой призмы, и имеет две отражающие грани. Входная грань призмы 9 ориентирована перпендикулярно падающему на призму световому пучку. Выходная грань ориентирована параллельно падающему на призму световому пучку и параллельно входной грани поляризационной призмы 10 для s-поляризации. Первая отражающая грань ориентирована под углом 45° к падающему на призму световому пучку и под углом 45° к плоскости полупроводниковых переходов. Вторая отражающая грань ориентирована параллельно падающему на призму световому пучку и под углом 45° к плоскостям полупроводниковых переходов.

В системе координат, показанной на фиг.1-3, входная и выходная грани призмы 8 перпендикулярны оси Z. Первая и четвертая отражающие грани перпендикулярны биссектрисе угла, образованного осями Y и Z. Вторая и третья отражающие грани параллельны биссектрисе двугранного угла, образованного плоскостями XZ и YZ. Границы входной и первой отражающей граней со стороны ребра двугранного угла, образованного этими гранями, параллельны оси Х и расположены на пересечении с осью Z.

Входная грань призмы 9 перпендикулярна оси Z, выходная грань перпендикулярна оси Y. Первая отражающая грань перпендикулярна биссектрисе угла, образованного осями Х и Z. Вторая отражающая грань параллельна биссектрисе двугранного угла, образованного плоскостями XZ и YZ.

Коллимирующая оптическая система работает следующим образом. Световой пучок от каждого из полупроводниковых лазеров преобразуется соответствующим коллимирующим объективом в коллимированный световой пучок, ось которого параллельна оси Z. В плоскости XZ все эти пучки объединяются в общий пучок, который проходит через первую группу призм. Первая группа призм трансформирует световой пучок в плоскости XZ, уменьшая его поперечный размер и увеличивая его угловую расходимость.

Полученный коллимированый световой пучок фокусируется первым положительным компонентом 7. В фокальной плоскости первого положительного компонента 7 формируется изображение тела свечения полупроводниковых лазеров, которое по форме представляет собой прямоугольник, вытянутый в направлении оси Y. Это изображение тела разделяется на второй группе призм по линии, параллельной оси X, на две части. Соответственно, световой пучок разделяется на два световых пучка.

Так как излучение полупроводникового лазера поляризовано, то указанные световые пучки также поляризованы. Вектор поляризации параллелен оси Y.

Указанные световые пучки проходят через вторую группу призм по разным оптическим путям и попадают на поляризационную призму 10. При этом один из пучков проходит поляризационную призму 10 без отражения, а другой отражается на ее внутренней грани. В результате этого после поляризационной призмы указанные пучки оказываются совмещенными друг с другом в пространстве.

Полученный световой пучок преобразуется вторым положительным компонентом 11 в коллимированный световой пучок.

При разделении световых пучков могут возникать энергетические потери из-за рассеяния света на границах раздела. Эти потери будут практически исключены, если тело свечения каждого из полупроводниковых лазеров выполнить в виде двух одинаковых излучающих участков с промежутком между ними. В этом случае изображение тела свечения в фокальной плоскости первого положительного компонента 7 будет представлять собой два прямоугольника с промежутком между ними.

На фиг.4 показан такой случай. Здесь прямоугольники ABCD и EFGH представляют собой изображение тела свечения полупроводниковых лазеров до прохождения лучей через вторую группу призм, а прямоугольники A'B'C'D' и E'F'G'H' - то же после прохождения лучей через вторую группу призм и поляризационную призму 10.

В частном случае изображение тела свечения полупроводниковых лазеров формируется вблизи входных граней призм 8 и 9. При этом участок ABCD изображения тела свечения попадает на призму 8, а участок EFGH - на призму 9. Световой пучок от участка ABCD проходит через призму 8 по пути O₁O₂O₃O₄O₇, а световой пучок от участка EFGH - через призму 9 по пути O₁O₅O₆O₇. После прохождения лучей участок ABCD преобразуется в участок А'В'С'D', а участок EFGH - в участок E'F'G'H'. Участки A'B'C'D' и E'F'G'H' наложены друг на друга, оптические оси обоих пучков параллельны оси Z. Следовательно, указанные пучки оказываются совмещенными в пространстве в один общий световой пучок.

Таким образом, в коллимирующей оптической системе обеспечивается увеличение энергетической яркости выходного пучка в два раза. При этом дополнительно обеспечивается более равномерное освещение поля изображения. Все это расширяет возможности использования коллимирующей оптической системы в системах оптической локации, оптической связи, управления и наблюдательных приборах, работающих в полевых условиях.

Кроме того, если первую группу призм выполнить в соответствии с патентом РФ №2148850, кл. 7 G 02 B 27/30, 27/09, заявл. 28.07.98, опубл. 10.05.00, бюл. №13, то обеспечивается постоянство пространственного положения выходного коллимированного пучка при воздействии пониженной и повышенной температуры окружающей среды, что дополнительно расширяет функциональные возможности коллимирующей оптической системы.

Коллимирующая оптическая система содержит последовательно расположенные по ходу лучей объективы, установленные напротив полупроводниковых лазеров, и первую группу призм, ребра преломляющих двугранных углов которых ориентированы параллельно плоскостям полупроводниковых переходов. Последовательно по ходу лучей за первой группой призм установлены первый положительный компонент, вторая группа призм, размещенная вблизи задней фокальной плоскости первого положительного компонента и разделяющая входящий световой пучок по линии, перпендикулярной плоскостям полупроводниковых переходов, на два пучка, поляризационную призму, размещенную на пути указанных световых пучков и совмещающую их в пространстве в один общий световой пучок, и второй положительный компонент, передняя фокальная плоскость которого совмещена с задней фокальной плоскостью первого положительного компонента. Обеспечивается увеличение энергетической яркости выходного пучка. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Коллимирующая оптическая система для полупроводниковых лазеров, содержащая последовательно расположенные по ходу лучей объективы, установленные напротив полупроводниковых лазеров, и первую группу призм, ребра преломляющих двугранных углов которых ориентированы параллельно плоскостям полупроводниковых переходов, отличающаяся тем, что последовательно по ходу лучей за первой группой призм установлены первый положительный компонент, вторая группа призм, размещенная вблизи задней фокальной плоскости первого положительного компонента и разделяющая входящий световой пучок по линии, перпендикулярной плоскостям полупроводниковых переходов, на два пучка, поляризационную призму, размещенную на пути указанных световых пучков и совмещающую их в пространстве в один общий световой пучок, и второй положительный компонент, передняя фокальная плоскость которого совмещена с задней фокальной плоскостью первого положительного компонента.2. Коллимирующая оптическая система для полупроводниковых лазеров по п.1, отличающаяся тем, что вторая группа призм выполнена в виде двух призм, первая из которых установлена вблизи задней фокальной плоскости первого положительного компонента и имеет четыре отражающие грани, при этом входная и выходная грани ориентированы перпендикулярно падающему на призму световому пучку и параллельно входной грани поляризационной призмы для р-поляризации, первая и четвертая отражающие грани ориентированы под углом 45° к падающему на призму световому пучку и перпендикулярно плоскостям полупроводниковых переходов, вторая и третья отражающие грани ориентированы параллельно падающему на призму световому пучку и под углом 45° к плоскостям полупроводниковых переходов, границы входной и первой отражающей граней со стороны ребра двугранного угла, образованного этими гранями, ориентированы перпендикулярно плоскостям полупроводниковых переходов и расположены на пересечении с осью падающего на призму светового пучка, а вторая призма установлена на пути лучей, прошедших мимо первой призмы, и имеет две отражающие грани, при этом входная грань ориентирована перпендикулярно падающему на призму световому пучку, выходная грань ориентирована параллельно падающему на призму световому пучку и параллельно входной грани поляризационной призмы для s-поляризации, первая отражающая грань ориентирована под углом 45° к падающему на призму световому пучку и под углом 45° к плоскостям полупроводниковых переходов, вторая отражающая грань ориентирована параллельно падающему на призму световому пучку и под углом 45° к плоскостям полупроводниковых переходов.