УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК G02B19/00 G02B27/09 

Настоящее изобретение относится к устройству для формирования лазерного излучения в соответствии с ограничительной частью п. 1 формулы изобретения.

Определения: под «направлением распространения лазерного излучения» понимается среднее направление распространения лазерного излучения, в частности, если оно не представляет собой плоскую волну или по меньшей мере частично является расходящимся. Под «лазерным лучом», «световым лучом», «частичным лучом» или «лучом», если явно не указано иного, понимается не идеализированный луч геометрической оптики, а реальный световой луч, как, например, лазерный луч с гауссовым профилем или профилем «top-hat», который имеет не бесконечно малое, а расширенное поперечное сечение луча. «Свет» относится не только к видимой области спектра, но также к инфракрасной и ультрафиолетовой областям спектра. Понятие «клиновидный» не должно означать, что имеются плоские поверхности, а означает, что расширение клиновидной структуры уменьшается или увеличивается при распространении в одном направлении, в одном или двух направлениях, перпендикулярных или наклонных к этому одному направлению. Таким образом, понятие «клиновидный» должно охватывать как плоские поверхности, как, например, грани клиньев или пирамид, так и изогнутые поверхности, как, например, частичные поверхности конусов.

Устройство названного выше типа известно, например, из документа ЕР 2309309 А2. Это устройство особенно хорошо пригодно для создания однородного поля ближней зоны на выходе волокна, что предпочтительно для накачки твердотельных лазеров. Описанный в документе ЕР 2309309 А2 монолитный волоконно-оптический соединитель использует тот факт, что в некоторых случаях использования нет необходимости в теоретически возможной яркости излучения от линейки лазерных диодов, а достаточно меньшей яркости. В этом случае отдельные эмиттеры линейки лазерных диодов могут проецироваться с помощью оптической системы на оптическое волокно. Однако при этом оптическое волокно должно обеспечивать возможность переноса произведения параметров луча всей линейки лазерных диодов по медленной оси.

Положенная в основу настоящего изобретения проблема заключается в создании устройства названного выше типа, которое обеспечивает более высокую яркость и/или имеет более эффективную конструкцию, причем, в частности, произведение диаметра сердцевиной и числовой апертурой оптического волокна должно лишь приблизительно соответствовать произведению параметров луча одного эмиттера из линейки лазерных диодов по медленной оси.

В соответствии с изобретением эту задачу решают с помощью устройства названного выше типа с отличительными признаками п.1 формулы изобретения. Дополнительные пункты касаются предпочтительных вариантов осуществления изобретения.

В соответствии с п. 1 предусмотрено, что первая группа линз выполнена таким образом, что лазерное излучение отклоняется относительно первого направления и/или второго направления от первой из линз первой группы линз под иным углом, нежели от второй из линз первой группы линз, и/или что вторая группа линз выполнена таким образом, что лазерное излучение относительно первого направления и/или относительно второго направления отклоняется от одной первой из линз второй группы линз под иным углом, нежели от одной второй из линз группы линз. Одна или множество линз первой группы линз могут отклонять исходящее от отдельных эмиттеров линейки лазерных диодов лазерное излучение относительно второго направления, в частности, таким образом, что исходящие от различных линз первой группы линз лазерные излучения попадают на различные, расположенные на расстоянии друг от друга во втором направлении линзы второй группы линз.

При этом, в частности, может быть предусмотрено, что первая группа линз и/или вторая группа линз выполнены таким образом, что проходящее сквозь одну линзу первой группы линз лазерное излучение точно проходит через линзу второй группы линз, причем, в частности, количество линз первой группы линз соответствует количеству линз второй группы линз. Если в этом случае устройство используют для формирования лазерного излучения, исходящего от линейки лазерных диодов или матрицы лазерных диодов, то первое направление соответствует медленной оси, а второе направление соответствует быстрой оси. При такой конфигурации лазерное излучение от каждого эмиттера линейки лазерных диодов будет попадать на входную поверхность согласованной линзы, которая дополнительно к коллимации или проецированию также формирует угол с медленной осью и с быстрой осью для вектора Пойнтинга лазерного излучения. При этом на входной поверхности конструктивного элемента количество расположенных вдоль медленной оси рядом друг с другом линз соответствует количеству эмиттеров линейки лазерных диодов. Угол, «отпечатанный» на векторе Пойнтинга лазерного излучения в направлении медленной оси и в направлении быстрой оси, может быть выбран, в частности, таким образом, что лазерное излучение эмиттеров падает на выходную поверхность конструктивного элемента в направлении быстрой оси на различные линзы. Таким образом, также на выходной поверхности конструктивного элемента количество линз, расположенных одна над другой вдоль быстрой оси, соответствует количеству эмиттеров линейки лазерных диодов.

Существует возможность того, что входная поверхность в первом направлении является более вытянутой, нежели выходная поверхность, и/или выходная поверхность во втором направлении является более вытянутой, нежели входная поверхность. Таким образом, принимают в расчет линзы, расположенные рядом друг с другом в различных направлениях на входной поверхности и выходной поверхности.

Может быть предусмотрено, что различные линзы первой группы линз имеют различную клиновидную структуру, в частности, в отношении второго направления, и/или различные линзы второй группы линз имеют различную клиновидную структуру, в частности, относительно первого направления. За счет различной клиновидной структуры относительно второго направления линз первой группы линз достигают того, что выходящее из них лазерное излучение попадает на различные, расположенные во втором направлении рядом друг с другом линзы второй группы линз. Далее, за счет различной клиновидной структуры линз второй группы относительно первого направления достигают того, что падающее на них лазерное излучение вновь преломляется к оптической оси устройства.

Далее, может быть предусмотрено, что линзы первой группы линз расположены смещенными относительно друг друга во втором направлении, и/или линзы второй группы линз расположены смещенными относительно друг друга в первом направлении. Эти смещения действуют аналогично клиновидным структурам и способствуют отклонению лазерных лучей.

В частности, линзы первой группы линз и/или линзы второй группы линз выполнены в виде цилиндрических линз или линз схожих с цилиндром. За счет этого можно добиться того, что в отношении проецирования или коллимации линзы первой группы линз действуют лишь по быстрой оси, а линзы второй группы линз действуют лишь по медленной оси линейки лазерных диодов.

При этом, в частности, существует возможность того, что по меньшей мере одна из осей цилиндра цилиндрических линз или линз, схожих с цилиндром первой группы линз, ориентирована перпендикулярно по меньшей мере одной из осей цилиндра цилиндрических линз или линз, схожих с цилиндром второй группы линз.

Далее, может быть предусмотрено, что оси цилиндров цилиндрических линз или линз, схожих с цилиндром первой группы линз либо параллельны первому направлению, либо образуют с первым направлении угол менее 45°, предпочтительно менее 35°, в частности, менее 25°, и/или ось цилиндра цилиндрических линз или линз, схожих с цилиндром второй группы линз, либо параллельна второму направлению, либо образует со вторым направлением угол менее 45°, предпочтительно менее 35°, в частности, менее 25°.

При этом может быть предусмотрено, что оси цилиндров по меньшей мере двух цилиндрических линз или линз, схожих с цилиндром первой группы линз, образуют между собой угол более 0° и менее 25°, предпочтительно угол больше 0° и меньше 15°, в частности, угол больше 0° и меньше 10°, и/или оси цилиндров по меньшей мере двух цилиндрических линз или линз, схожих с цилиндром второй группы линз, образуют между собой угол больше 0° и меньше 25°, предпочтительно угол больше 0° и меньше 15°, в частности, угол больше 0° и меньше 10°.

С помощью этих средств лазерное излучение, поступающее от отдельных, расположенных на медленной оси рядом друг с другом эмиттеров линейки лазерных диодов в первом направлении или в направлении медленной оси, отклоняется к оптической оси. Это отклонение может поддерживаться, например, посредством различных клиновидных структур линз первой группы линз в первом направлении.

В частности, существует возможность того, что по меньшей мере одна из цилиндрических линз или линз, схожих с цилиндром первой группы линз, выполнена таким образом, что она может проецировать исходящее из эмиттеров линейки лазерных диодов или матрицы лазерных диодов лазерное излучение в отношении второго направления на входную поверхность оптического волокна или осуществлять коллимацию излучения в отношении второго направления, и/или по меньшей мере одна из цилиндрических линз или линз, схожих с цилиндром второй группы линз, выполнена таким образом, что она может проецировать исходящее из эмиттера линейки лазерных диодов или матрицы лазерных диодов лазерное излучение в отношении первого направления на входную поверхность оптического волокна или осуществлять коллимацию излучения в отношении первого направления. В частности, путем проецирования в отношении быстрой оси и медленной оси лазерное излучение из линейки лазерных диодов может быть введено с высокой яркостью в оптическое волокно с помощью единственного конструктивного элемента.

При этом особо предпочтительно, если конструктивный элемент представляет собой монолитный конструктивный элемент.

Может быть предусмотрено, что линзы первой группы линз и/или линзы второй группы линз соответственно формируют лазерное излучение в основном лишь в отношении первого или в отношении второго направлений. Существует, однако, возможность того, что линзы первой группы линз и/или линзы второй группы линз формируют лазерное излучение в отношении как первого направления, так и второго направления.

В частности, может быть предусмотрено, что линзы первой группы линзы. осуществляют коллимацию лазерного излучения относительно второго направления, например, которое может соответствовать, например, быстрой оси, и линзы второй группы линз в отношении второго направления осуществляют фокусировку относительно второго направления и формируют лазерное излучение относительно первого направления, которое может соответствовать, например, медленной оси. При этом у линз второй группы линз могут быть предусмотрены различные искривления в первом и втором направлениях.

Альтернативно или дополнительно существует возможность того, что линзы первой и второй группы линз функционируют соответственно на одной оси как телескоп, например, телескоп Галилея или телескоп Кеплера или как толстая линза.

В соответствии с другим вариантом оптическая система может функционировать как описано выше, однако, коллимированный и «пересортированный» свет может выходить из линз второй группы линз. Этот свет затем фокусируют с помощью, в частности, недорогой круглой линзы.

В варианте с коллимацией особенно предпочтителен монтаж телескопического устройства с эмиттерами на быстрой оси, при этом коллимация происходит лишь по медленной оси. В этом случае граничное условие, в соответствии с которым расстояние между эмиттерами и оптической системой, с одной стороны, и толщина оптической системы для обеих осей, с другой стороны, должны быть одинаковыми, может быть выполнено, так что качество луча источника сохраняется по обеим осям. Под «качеством луча» или «произведением параметров луча» (SSP) на стороне источника понимают произведение радиуса луча в перетяжке на половину угла расхождения в дальнем поле. На стороне входа волокна этот термин относится к произведению радиуса луча в месте нахождения волокна на половину угла дальнего поля. При неблагоприятном выборе параметров оптической системы, что является обычным для уровня техники, в целом не удается добиться соответствия этого произведения в месте волокна значению произведения параметров луча источника по обеим осям.

Однако соответствующее изобретению устройство может формировать не излучение, исходящее из линеек лазерных диодов, а излучение, исходящее из других источников лазерного излучения. Например, могут использоваться лазеры, расположенные рядами, или расположенные рядом друг с другом выходы оптических волокон, из которых выходит лазерное излучение, или квантово-каскадный лазер.

Линзы могут быть выполнены в виде скошенных и/или децентрированных цилиндрических линз или они могут иметь поверхности произвольной формы.

Далее, центры линз первой группы линз могут быть расположены на различных расстояниях от соответствующих источников света. Это предпочтительно по той причине, что оптические пути, например, от соответствующих эммитеров линейки лазерных диодов до задней поверхности устройства, могут быть существенно различными. В противном случае это привело бы к существенному затруднению при проецировании в отношении второго направления или медленной оси.

Поверхности линз могут быть описаны, например, с помощью расширенных многочленов (Extended Polynominal). Например, для функций клина возможно использование линейных членов в первом и втором направлениях. Кроме того возможно использование членов с четными показателями степени в первом направлении для кривизны в отношении первого направления и члены с четными показателями степени во втором направлении для кривизны в отношении второго направления. Вполне возможно дальнейшее улучшение конфигурации поверхностей с использованием смешанных членов в отношении первого и второго направлений.

С помощью подходящего программного обеспечения возможно оптимизировать линзовые элементы в виде элементов с произвольной формой.

Изобретение поясняется более подробно со ссылкой на приложенные чертежи. Фигуры показывают:

фиг. 1 - перспективный вид первого варианта осуществления соответствующего изобретению устройства;

фиг. 2 - вид спереди устройства в соответствии с фиг. 1;

фиг. 3 - показывает соответствующее фиг. 1 устройство со схематически изображенным лазерным излучением;

фиг. 4 - вид сверху устройства в соответствии с фиг. 1 со схематически изображенным лазерным излучением;

фиг. 5 - вид сбоку устройства в соответствии с фиг. 1 со схематически изображенным лазерным излучением;

фиг. 6 - показывает в перспективе схему устройства в соответствии с фиг. 1 со схематически изображенным лазерным излучением, для которого поясняется функция отдельных линз;

фиг. 7 - показывает схему в соответствии с фиг. 6 со схематически изображенным лазерным излучением;

фиг. 8 - схема в соответствии с фиг. 6 со схематически изображенным лазерным: излучением, вид сверху;

фиг. 9 - схема в соответствии с фиг. 6 со схематически изображенным лазерным излучением, вид сбоку;

фиг. 10 - перспективный вид спереди второго варианта выполнения устройства;

фиг. 11 - входная поверхность устройства в соответствии с фиг. 10, увеличенный вид;

фиг. 12 - перспективный вид сзади устройства в соответствии с фиг. 10;

фиг. 13 - вид сверху части выходной поверхности устройства в соответствии с фиг. 10.

На фигурах одинаковые или выполняющие одинаковую функцию части или световые лучи имеют одинаковые ссылочные обозначения. Далее, на фигурах для лучшего понимания нанесена декартова система координат. Для пояснения на фиг. 4 и фиг. 5 изображена оптическая ось 11.

Фиг. 6-9 поясняют исключительно в виде эскизов оптические функциональные поверхности линз и представляют их в виде отдельных конструктивных элементов. Как детально описано ниже, соответствующее изобретению устройство содержит основу или монолитный конструктивный элемент, в который интегрированы поверхности линз.

Изображенное на фиг. 1-5 устройство выполнено в виде монолитного прозрачного конструктивного элемента 1 с входной поверхностью 2 и выходной поверхностью 3. При этом входная поверхность 2 и выходная поверхность 3 расположены в направлении Z нанесенной системы координат напротив друг друга (см. фиг. 1). Таким образом направление Z соответствует направлению распространения формируемого лазерного излучения.

На входной поверхности 2 расположена первая группа 4 линз, которая содержит в первом направлении, соответствующем направлению X в нанесенной системе координат, множество расположенных рядом друг с другом линз 5а, 5b, 5с, 5d, 5е. В целях упрощения изображения на фигурах соответственно показаны только пять линз 5а, 5b, 5с, 5d, 5е. Однако, вполне возможно, что количество линз может быть больше или меньше пяти.

Линзы 5а, 5b, 5с, 5d, 5е расположены смещенными относительно друг друга во втором направлении, которое соответствует направлению Y в нанесенной системе координат (см. фиг. 2). При этом линза 5а, расположенная на фиг. 2 на левом крае, расположена относительно направления Y на нижнем крае входной поверхности 2, в отличие от расположенной на правом краю линзы 5е, которая расположена относительно направления Y на верхнем крае входной поверхности 2. Средняя линза 5с расположена относительно направления Y приблизительно в центре. Обе линзы 5b и 5d занимают относительно направления Y соответственно промежуточные позиции между наружными линзами 5а, 5е и центральной линзой 5с.

Далее, линзы 5а, 5b, 5с, 5d, 5е первой группы 4 линз отличаются друг от друга соответственно различной клиновидной структурой в направлении Y. Фиг. 1 показывает, что расположенная слева линза 5а шире в направлении Z на верхнем краю в отношении направления Y, чем на нижнем краю. Расположенная справа линза 5е уже в направлении Z на верхнем краю в отношении направления Y, чем на нижнем краю. Остальные линзы 5b, 5с, 5d имеют промежуточные значения.

Линзы 5а, 5b, 5с, 5d, 5е первой группы 4 линз выполнены в виде цилиндрических линз или линз, схожих с цилиндром, причем оси цилиндров проходят по меньшей мере частично в направлении X. При этом ось цилиндра центральной линзы 5с параллельна направлению X, в отличие от осей цилиндров других линз 5f, 5b, 5d, 5е, которые образуют с направлением X угол, больший 0°.

Так, в частности, фиг. 4 показывает, что оси цилиндров обеих наружных линз 5а и 5е образуют с направлением X угол около 20° или -20°. Далее, фиг. 4 показывает, что оси цилиндров обеих линз 5b и 5d образуют с направлением X угол около 10° или -10°.

Различная ориентация осей цилиндров линз 5а, 5b, 5с, 5d, 5е первой группы 4 линз может сопровождаться различной клиновидной структурой линз 5а, 5b, 5с, 5d, 5е в направлении X, как это видно, например, на фиг. 1.

На выходной поверхности 3 расположена вторая группа 6 линз, которая содержит во втором направлении, соответствующем направлению Y системы координат, множество расположенных рядом друг с другом линз 7а, 7b, 7с, 7d, 7е. На фигурах для упрощения изображения показаны лишь пять линз 7а, 7b, 7с, 7d, 7е. Вполне возможно, однако, наличие большего или меньшего количества линз.

Линзы 7а, 7b, 7с, 7d, 7е расположены смещенными относительно друг друга в первом направлении, которое соответствует направлению X нанесенной системы координат (см. фиг. 8). При этом расположенная на фиг. 8 на верхнем краю линза 7а расположена относительно направления X на правом краю выходной поверхности 3, а расположенная на нижнем краю линза 7е расположена относительно направления X на левом краю входной поверхности 2. Средняя линза 7с расположена относительно направления X приблизительно в центре. Обе линзы 7b и 7d соответственно занимают относительно направления X промежуточные позиции между наружными линзами 7а, 7е и центральной линзой 7с.

Далее, линзы 7а, 7b, 7с, 7d, 7е второй группы 6 линз отличаются друг от друга соответственно различной клиновидной структурой в направлении X. Фиг. 7 показывает, что расположенная сверху линза 7а более широкая в направлении Z на левом краю относительно направления X, чем на правом краю. Расположенная снизу линза 7е уже в направлении Z на левом краю относительно направления X, чем на правом краю. Остальные линзы 7b, 7с, 7d занимают промежуточные значения.

Линзы 7а, 7b, 7с, 7d, 7е второй группы 6 линз выполнены в виде цилиндрических линз или линз, схожих с цилиндрами, причем оси цилиндров проходят по меньшей мере частично в направлении Y. При этом ось цилиндра средней линзы 7с параллельна направлению Y, в отличие от осей цилиндров других линз 7а, 7b, 7d, 7e, которые образуют с направлением Y угол, больший 0°.

Так, в частности, фиг. 5 показывает, что оси цилиндров наружных линз 7а и 7е образуют с направлением Y угол около 20° или -20°. Далее, фиг. 5 показывает, что оси цилиндров линз 7b и 7d образуют с направлением Y угол около 10° или -10°.

Различная ориентация осей цилиндров линз 7а, 7b, 7с, 7d, 7е второй группы 6 линз может сопровождаться различной клиновидной структурой линз 7а, 7b, 7с, 7d, 7е в направлении Y, как это видно, например, на фиг. 5.

Изображенное устройство способно формировать, в частности, лазерное излучение 10а, 10b, 10с, 10d, 10е, исходящее из не показанных линеек лазерных диодов, причем отдельные эмиттеры могут быть расположены соответственно в позициях 8 на фиг. 3-6, а также фиг. 8 и фиг. 9. При этом направление X соответствует медленной оси, а направление Y соответствуют быстрой оси линейки лазерных диодов.

Далее, на фиг. 3-6, а также на фиг. 8 и фиг. 9 ссылочная позиция 9 обозначает место, где может быть расположена, например, входная поверхность не показанного оптического волокна.

Линзы 5а, 5b, 5с, 5d, 5е первой группы 4 линз и линзы 7а, 7b, 7с, 7d, 7е второй группы 6 линз служат соответственно для отклонения падающего на них лазерного излучения 10а, 10b, 10с, 10d, 10е, и для проецирования или коллимации лазерного излучения 10а, 10b, 10с, 10d, 10е. В частности, схема в соответствии с фиг. 9 поясняет, что линзы 5а, 5b, 5с, 5d, 5е первой группы 4 линз могут проецировать лазерное излучение 10а, 10b, 10с, 10d, 10е, исходящее из не показанных эмиттеров (см. позицию 8) в отношении быстрой оси или направления Y на не показанную входную поверхность (см. позицию 9) оптического волокна.

Одновременно наклонные оси цилиндров несоосных линз 5а, 5b, 5d, 5е первой группы 4 линз обуславливают эффект, что исходящее из них лазерное излучение 10а, 10b, 10d, 10е в направлении X отклоняется к оптической оси 11 (см. фиг. 4, фиг. 6 и фиг. 8) и попадает на линзы 7а, 7b, 7d, 7е второй группы 6 линз. При этом, в частности, каждой линзе 5а, 5b, 5с, 5d, 5е первой группы 4 линз точно соответствует одна линза 7а, 7b, 7с, 7d, 7е второй группы 6 линз таким образом, что лазерное излучение 10а, 10b, 10d, 10е, проходящее через одну из линз 5а, 5b, 5с, 5d, 5е первой группы 4 линз, проходит точно через одну линзу 7а, 7b, 7с, 7d, 7е второй группы 6 линз. Это наглядно пояснено на фиг. 6.

Дополнительно соответственно различные клиновидные структуры несоосных линз 5а, 5b, 5d, 5е первой группы 4 линз обуславливают эффект отклонения исходящего из них лазерного излучения 10а, 10b, 10d, 10е в направлении X к оптической оси 11 и вверх и вниз в направлении Y (см. фиг. 5, фиг. 6 и фиг. 9) и падение его на соответствующие линзы 7а, 7b, 7d, 7е второй группы 6 линз.

Следует отметить, что средняя линза 5с первой группы 4 линз не содержит наклонной оси цилиндра или клиновидной структуры, так что проходящее через эту линзу 5с лазерное излучение 10с не отклоняется ни в направлении X, ни в направлении Y и, поэтому попадает на среднюю линзу 7с второй группы 6 линз (см. фиг. 6). При этом проецирование происходит исключительно в отношении быстрой оси на не показанную входную поверхность (см. ссылочное обозначение 9) оптического волокна.

В изображенном примере лазерное излучение 10c, проходящее через показанную слева на фиг. 6 линзу 5а, отклоняется вверх к самой верхней линзе 7а, а лазерное излучение 10b, проходящее через следующую линзу 5b, отклоняется к расположенной ниже линзы 7а линзе 7b и т.д. Этот порядок изменения может быть обратным. Далее не требуется, чтобы отклонение лазерных излучений 10а, 10b, 10c, 10d, 10е было «точно упорядочено». Например, вполне существует возможность того, что исходящее из двух соседних линз 5а, 5b первой группы 4 линз лазерное излучение 10а, 10b не будет попадать на соседние линзы второй группы 6 линз. Более того, группы 4, 6 линз могут быть выполнены такой формы и, следовательно, отклонять лазерное излучения таким образом, что различные длины оптических путей становятся особенно предпочтительными.

Далее, схема в соответствии с фиг. 8 показывает, что линзы 7а, 7b, 7с, 7d, 7е второй группы 6 могут проецировать исходящее из не изображенных отдельных эмиттеров (см. ссылочное обозначение 8) лазерное излучение 10а, 10b, 10c, 10d, 10е относительно медленной оси или направления X соответственно на не изображенную (см. ссылочное обозначение 9) входную поверхность оптического волокна.

Одновременно наклонные оси цилиндров несоосных линз 7а, 7b, 7d, 7е второй группы 6 линз обуславливают то, что отклонение исходящего из несоосных линз 5а, 5b, 5d, 5е первой группы 4 линз лазерного излучения 10а, 10b, 10d, 10e в направлении X происходит таким образом, что оно проходит в плоскости Y-Z (см. фиг. 8).

Дополнительно соответственно различные клиновидные структуры несоосных линз 7а, 7b, 7d, 7е второй группы 6 линз обуславливают отклонение лазерного излучения 10а, 10b, 10d, 10e, исходящего из несоосных линз 5а, 5b, 5d, 5е первой группы 4 линз, в направлении Y к оптической оси 11, вверх и вниз (см. фиг. 9), и его попадание на не изображенную входную поверхность (см. ссылочное обозначение 9) оптического волокна.

В этом месте следует заметить, что средняя линза 7с второй группы 6 линз не имеет ни наклонной оси цилиндра, ни клиновидной структуры, так что не происходит отклонения проходящего через эту линзу 7с лазерного излучения 10c ни относительно направления X, ни относительно направления Y (см. фиг. 6). Более того, происходит проецирование исключительно относительно медленной оси на не показанную входную поверхность (см. ссылочное обозначение 9) оптического волокна.

Альтернативно существует возможность того, что линзы 5а, 5b, 5с, 5d, 5е первой группы 4 и/или линзы 7а, 7b, 7с, 7d, 7е второй группы 6 линз не проецируют исходящее из отдельных эмиттеров лазерное излучение, а выполняют его коллимацию. Коллимированное относительно медленной оси и быстрой оси лазерное излучение можно в последующем фокусировать с помощью недорогой сферической оптики, например, на входную поверхность оптического волокна.

Изображенный на фиг. 10-13 пример соответствующего изобретению устройства 1: также выполнен в виде монолитного прозрачного конструктивного элемента 1 с входной поверхностью 2 и выходной поверхностью 3. При этом входная поверхность 2 и выходная поверхность 3 расположены в направлении Z показанной системы координат, напротив друг друга (см. фиг. 10). Таким образом, направление Z соответствует направлению распространения формируемого лазерного излучения.

В случае изображенного на фиг. 10-13 примера соответствующего изобретению устройства 1 как на входной поверхности 2, так и на выходной поверхности 3 показаны соответственно шесть линз 5а, 5b, 5с, 5d, 5е, 5f первой группы 4 линз и шесть линз 7а, 7b, 7с, 7d, 7е, 7f второй группы 6 линз. Вполне возможно, количество линз может быть больше или меньше шести. Предпочтительно использование от 3 до 49 линз, в частности, от 8 до 11 линз.

Например, может быть 10 линз, которые могут формировать лазерное излучение не показанной миниатюрной линейки лазерных диодов с 10 эмиттерами. При такой миниатюрной линейке лазерных диодов эмиттеры могут иметь в направлении X ширину 100 мкм и расстояние между центрами 500 мкм.

В случае изображенного на фиг. 10-13 варианта шесть линз 5а, 5b, 5с, 5d, 5е, 5f отличаются друг от друга, причем соответственно пары линз 5а, 5f, 5b, 5е, 5с, 5d являются зеркально-симметричными относительно друг друга. Линзы 5f, 5b, 5с, 5d, 5е, 5f имеют соответственно как кривизну в направлении X, так и кривизну в направлении Y. Далее, они имеют главным образом выпуклую форму и отклоняют лазерное излучение 10а, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f каждого из эмиттеров в направлениях X и Y. В частности, линзы 5а, 5b, 5с, 5d, 5е, 5f имеют также клиновидную структуру, описанную во взаимосвязи с фиг. 1-9.

Поверхности линз 5а, 5b, 5с, 5d, 5е, 5f могут быть описаны с помощью смешанных многочленов, при этом не только четные члены возникают для каждой оси, но также смешанные члены в направлениях X и Y. Могут потребоваться также нечетные члены в направлениях X и Y, которые имеют более высокий порядок, чем первый.

Линзы расположены в направлении X рядом друг с другом. Вершины линз 5а, 5b, 5с, 5d, 5е, 5f не обязательно расположены на одной линии, причем, разумеется, апертуры линз расположены в достаточной мере симметрично относительно центров отдельных эмиттеров.

Основная форма линз 7а, 7b, 7с, 7d, 7е, 7f на выходной поверхности 3 аналогична основной форме линз 5а, 5b, 5с, 5d, 5е, 5f на входной поверхности 2. В частности, линзы 7а, 7b, 7с, 7d, 7f также являются выпуклыми, имеют кривизну по обеим осям X, Y и могут быть описаны с помощью четных и нечетных смешанных членов многочлена по направлениям X и Y.

Ширина в направлении X в типичном случае отчетливо больше, чем на входной поверхности 2. Например, ширина линз 5а, 5b, 5с, 5d, 5е, 5f на входной поверхности 2 в направлении X может составлять соответственно менее 500 мкм, в отличие от ширины линз 7а, 7b, 7с, 7d, 7е, 7f на выходной поверхности 3 в направлении X, где ширина может составлять от 500 мкм до 2500 мкм. Высота линз 5а, 5b, 5с, 5d, 5е, 5f; 7а, 7b, 7с, 7d, 7е, 7f на входной поверхности 2 и выходной поверхности 3 в направлении Y лежит в типичном случае в диапазоне от 100 мкм до 1000 мкм, в частности, от 200 мкм до 600 мкм.

Фиг. 10-13 показывают, что линзы 5а, 5b, 5с, 5d, 5е, 5f; 7а, 7b, 7с, 7d, 7е, 7f на входной поверхности 2 и выходной поверхности 3 искривлены по двум осям X, Y и выполнены в виде поверхностей произвольной формы. Далее, видно, что конструктивный элемент 1 является монолитным. Вершины линз 7а, 7b, 7с, 7d, 7е, 7f на выходной поверхности 3 расположены ближе к оптической оси, чем вершины линз 5а, 5b, 5с, 5d, 5е, 5f на входной поверхности 2. Апертуры линз 5а, 5b, 5с, 5d, 5е, 5f на входной поверхности 2 расположены симметрично с эмиттерами, в то время как апертуры линз 7а, 7b, 7с, 7d, 7е, 7f расположены друг над другом на выходной поверхности 3 в направлении Y.

Пример 1

Изображенный на фиг. 10-13 пример устройства может вводить свет от миниатюрной линейки с 10 эмиттерами шириной 100 мкм в направлении X и с расстоянием между центрами 500 мкм, с длиной волны 976 нм в оптическое волокно, которое имеет диаметр сердцевины 100 мкм и числовую апертуру 0,15.

Эффективность связи для конструкции элемента из кварцевого стекла составляет при этом согласно моделированию 76% для всей миниатюрной линейки (85% для центрального эмиттера и 64% для обоих наружных эмиттеров).

В примере волокно выбрано, в частности, таким образом, что оно может служить источником накачки для волоконного лазера. Другое применение относится к миниатюрным линейкам с длиной волны около 640 нм для лазерных проекторов для кинотеатров.

Если для конструктивного материала используется материал с высоким коэффициентом преломления, например, S-TIH53, может быть достигнута большая эффективность связи.

Устройство для формирования лазерного излучения содержит: конструктивный элемент (1) с входной (2) и выходной (3) поверхностями, первую группу (4) линз на входной поверхности (2), содержащую множество линз (5a, 5b, …), расположенных рядом друг с другом в первом направлении (Х), и вторую группу (6) линз на выходной поверхности (3), содержащую множество линз (7a, 7b, …), расположенных рядом друг с другом во втором направлении (Y), перпендикулярном направлению (Х). С помощью первой линзы из линз (5a, 5b,…) отклонение излучения относительно первого (Х) и второго (Y) направлений происходит на угол, отличный от угла, на который происходит отклонение с помощью второй линзы из линз (5a, 5b,…). С помощью первой линзы из линз (7а, 7b, …) отклонение излучения относительно первого (Х) и второго (Y) направлений происходит на угол, отличный от угла, на который происходит отклонение с помощью второй линзы из линз (7а, 7b, …). Излучение, проходящее через линзу первой группы (4) линз, проходит точно через одну линзу второй группы (6) линз. Технический результат - обеспечение более высокой яркости и/или повышение эффективности конструкции. 14 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Устройство для формирования лазерного излучения (10a, 10b, 10c, 10d, 10e), содержащее:

конструктивный элемент (1) с входной поверхностью (2) и выходной поверхностью (3),

первую группу (4) линз на входной поверхности (2) для отклонения и/или проецирования и/или коллимации лазерного излучения (10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f), которая содержит множество линз (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f), расположенных рядом друг с другом в первом направлении (Х), и

вторую группу (6) линз на выходной поверхности (3) для отклонения и/или проецирования, и/или коллимации лазерного излучения (10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f), которая содержит множество линз (7a, 7b, 7c, 7d, 7f), расположенных рядом друг с другом во втором направлении (Y), перпендикулярном первому направлению (Х),

отличающееся тем, что

первая группа (4) линз выполнена таким образом, что с помощью первой линзы из линз (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) первой группы (4) линз отклонение лазерного излучения (10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f) относительно первого направления (Х) и относительно второго направления (Y) происходит на угол, отличный от угла, на который происходит отклонение с помощью второй линзы из линз (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) первой группы (4) линз, и

вторая группа (6) линз выполнена таким образом, что с помощью первой линзы из линз (7а, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) второй группы (6) отклонение лазерного излучения (10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f) относительно первого направления (Х) и относительно второго направления (Y) происходит на угол, отличный от угла, на который происходит отклонение с помощью второй линзы из линз (7а, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) второй группы (6) линз, а также

первая группа (4) линз и вторая группа (6) линз выполнены таким образом, что лазерное излучение (10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f), проходящее через линзу (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) первой группы (4) линз, проходит точно через одну линзу (7а, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) второй группы (6) линз.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что количество линз (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) первой группы (4) линз соответствует количеству линз (7а, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) второй группы (6) линз.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что входная поверхность (2) в первом направлении (Х) является более вытянутой, чем выходная поверхность (3), и/или выходная поверхность (3) во втором направлении (Y) является более вытянутой, чем входная поверхность (2).

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что различные линзы (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) первой группы (4) линз имеют различную клиновидную структуру, в частности, относительно второго направления (Y), и/или различные линзы (7а, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) второй группы (6) линз имеют различную клиновидную структуру, в частности, в отношении первого направления (Х).

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что линзы (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) первой группы (4) линз расположены смещенными относительно друг друга во втором направлении (Y) и/или линзы (7а, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) второй группы (6) линз расположены смещенными относительно друг друга в первом направлении (Х).

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что линзы (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) первой группы (4) линз и/или линзы (7а, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) второй группы (6) линз выполнены в виде цилиндрических линз или линз, схожих с цилиндром.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что по меньшей мере одна из осей цилиндра цилиндрических линз или линз, схожих с цилиндром (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) первой группы (4) линз, ориентирована перпендикулярно по меньшей мере одной из осей цилиндра цилиндрических линз или линз, схожих с цилиндром (7а, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) второй группы (6) линз.

8. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что

оси цилиндров цилиндрических линз или линз, схожих с цилиндром (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) первой группы (4) линз, либо параллельны первому направлению (Х), либо образуют с первым направлением (Х) угол меньше 45°, предпочтительно меньше 35°, в частности, меньше 25°, и/или

оси цилиндров цилиндрических линз или линз, схожих с цилиндром (7а, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) второй группы (6) линз, либо параллельны второму направлению (Y), либо образуют со вторым направлением (Y) угол меньше 45°, предпочтительно меньше 35°, в частности, меньше 25°.

9. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что

оси цилиндров по меньшей мере двух из цилиндрических линз или линз, схожих с цилиндром (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) первой группы (4) линз, образуют между собой угол больше 0° и меньше 25°, предпочтительно угол больше 0° и меньше 15°, в частности, угол больше 0° и меньше 10°, и/или

оси цилиндров по меньшей мере двух из цилиндрических линз или линз, схожих с цилиндром (7а, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) второй группы (6) линз, образуют между собой угол больше 0° и меньше 25°, предпочтительно угол больше 0° и меньше 15°, в частности, угол больше 0° и меньше 10°.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство выполнено с возможностью обеспечивать формирование лазерного излучения (10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f), исходящего из лазерной диодной линейки или лазерной диодной матрицы, причем первое направление (Х) соответствует медленной оси, а второе направление (Y) соответствует быстрой оси.

11. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что

по меньшей мере одна из цилиндрических линз или линз, схожих с цилиндром (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) первой группы (4) линз, выполнена таким образом, что она способна проецировать лазерное излучение (10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f), исходящее из лазерной диодной линейки или лазерной диодной матрицы, в отношении второго направления (Y), на входную поверхность оптического волокна или осуществлять коллимацию лазерного излучения в отношении направления (Y), и/или

по меньшей мере одна из цилиндрических линз или линз, схожих с цилиндром (7а, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) второй группы (6) линз, выполнена таким образом, что она способна проецировать лазерное излучение (10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f), исходящее из эмиттера лазерной диодной линейки или лазерной диодной матрицы, в отношении первого направления (Х), на входную поверхность оптического волокна или осуществлять коллимацию лазерного излучения в отношении первого направления (Х).

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что по меньшей мере одна, в частности все линзы (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) первой группы (4) линз и/или по меньшей мере одна, в частности, все линзы (7а, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) второй группы (6) линз имеют кривизну как в первом направлении (Х), так и во втором направлении (Y).

13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что по меньшей мере одна, в частности, все линзы (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) первой группы (4) линз и/или по меньшей мере одна, в частности, все линзы (7а, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) второй группы (6) линз выполнены с произвольной формой поверхности.

14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что по меньшей мере одна, в частности, все линзы (7а, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) второй группы (6) линз в первом направлении (Х) шире, в частности, более чем в два раза шире по меньшей мере одной, в частности, всех линз (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) первой группы (4) линз.

15. Устройство по п.1, отличающееся тем, что конструктивный элемент (1) является монолитным.