Устройство для формирования лазерного излучения Российский патент 2019 года по МПК G02B19/00 G02B27/09 

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

В направлении распространения лазерного излучения подразумевают среднее направление распространения лазерного излучения, в частности, если оно не является плоской волной или является, по меньшей мере, расходящимся. Под лазерным лучом, световым лучом, частичным лучом или лучом, если настоятельно не указано иного, подразумевают не идеализированный луч геометрической оптики, а реальный световой луч, как, например, лазерный луч с гауссовой формой или с последовательностью прямоугольных импульсов, который имеет не бесконечно малое, а пространное поперечное сечение луча. Свет должен обозначать не только видимую область спектра, но и также инфракрасную и ультрафиолетовую область спектра.

Устройство названного выше типа известно, например, из публикации WO 2015/091392 A1. В случае описанного в нем устройства для формирования лазерного излучения служит прозрачный конструктивный элемент, который содержит на своей входной поверхности и выходной поверхности соответственно матрицу из цилиндрических линз. Выходящее из выходной поверхности лазерное излучение вводится от конструктивного элемента в волоконный световод. При этом углы входа краевых лучей ограничивают эффективность устройства. К тому же необходимы покрытия, которые обеспечивают хорошее пропускание через большой угловой диапазон. Хотя за счет выбора высоко преломляющих стекол краевые углы могут быть уменьшены. Однако одновременно снижается полезный диапазон длины волн заданного дизайна.

Задача настоящего изобретения заключается в создании устройства названного выше типа, при котором высокая эффективность соединения может быть достигнута также при использовании стекла с низким преломлением.

В соответствии с изобретением этого достигают с помощью устройства названного выше типа с отличительными признаками пункта 1 формулы изобретения. Дополнительные пункты формулы изобретения относятся к предпочтительным формам осуществления изобретения.

В соответствии с пунктом 1 предусмотрено, что оптические элементы, по меньшей мере, одной матрицы являются зеркальными элементами. При этом может быть предусмотрено, что зеркальные элементы первой и/или второй матрицы отделены друг от друга или плавно переходят друг в друга. Таким образом, следует также рассматривать возможность не прерванной отражающей поверхности в качестве матрицы зеркальных элементов. При этом при известных обстоятельствах границами зеркальных элементов являются лишь воображаемые линии.

Существует возможность замены преломляющей поверхности устройства, известного из уровня техники, отражающей поверхностью или преломляющей и отражающей поверхностью. Под словом «поверхность» можно понимать при этом оптический элемент устройства – как, например, оптику ввода для эмиттера. В первом случае элемент связи может использоваться в расширенном диапазоне длины волн.

Например, существует возможность того, что лазерные излучения эмиттера проходят через плоскую поверхность в устройство и соответственно отражаются от специально согласованной с отдельным эмиттером внутренней полой поверхности (в этом месте устройство является выпуклым снаружи) и при этом подвергается коллимации и отклоняется, например, на 90^о. При полностью рефлективном элементе связи соответствующее осуществляется при выходе в противоположной последовательности:

Каждое из лазерных излучений фокусируется внутренней полой поверхностью и отклоняется, например, снова на 90^о, прежде чем они выйдут из устройства.

Альтернативно лазерные излучения эмиттера могут попадать на отражающие полые поверхности (например, внеосевой параболоид), которые отклоняют их к следующим полым поверхностям и при этом коллимируют. Затем вторые полые поверхности фокусируют лазерные излучения на сердцевину волокна. Входные поверхности устройств не должны быть плоскими. Направление входящего лазерного излучения может быть ориентировано любым образом относительно выходящего лазерного излучения. Возможно осуществление более чем двух внутренних отражений.

Может быть предусмотрено, что устройство содержит конструктивный элемент, в котором выполнены зеркальные элементы, в результате чего происходят внутренние отражения. При этом конструктивный элемент, в котором выполнены зеркальные элементы, может содержать одну входную поверхность и одну выходную поверхность, причем, в частности, входная поверхность и выходная поверхность являются искривленными поверхностями.

Существует возможность того, что устройство содержит конструктивный элемент, на наружной стороне которого расположены первая матрица и вторая матрица, причем матрицы являются доступными с той же стороны, так что в рамках изготовления устройства формообразование зеркальных элементов можно производить с одной стороны.

Может быть предусмотрено, что все оптические элементы представляют собой зеркальные элементы или что устройство содержит как зеркальные элементы, так и элементы в форме линз. В частности, устройство может содержать, по меньшей мере, одну матрицу, предпочтительно две матрицы зеркальных элементов и, в частности, дополнительно одну матрицу, предпочтительно две матрицы элементов в форме линз.

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

фиг. 1 - показывает схематический вид сбоку первой формы исполнения соответствующего изобретению устройства;

фиг. 2 - показывает повернутый относительно фиг. 1 вид сбоку устройства в соответствии с фиг. 1;

фиг. 3 - показывает схематический вид сбоку второй формы исполнения соответствующего изобретению устройства;

фиг. 4 - показывает схематический перспективный вид третьей формы исполнения соответствующего изобретению устройства;

фиг. 5 - показывает повернутый относительно фиг. 4 перспективный вид устройства в соответствии с фиг. 4.

На фигурах одинаковые или функционально одинаковые части или световые лучи обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Далее, для лучшего ориентирования на одной из фигур использована декартова система координат.

При показанной на фиг. 1 и фиг. 2 форме исполнения схематически изображены пять эмиттеров 1 одной панели лазерных диодов, из которых исходит лазерное излучение. Соответствующее изобретению устройство этой формы исполнения содержит имеющий по сути U-образную форму конструктивный элемент 3, который имеет основание 4 и два выступа 5, 6, выходящих из основания 4 на противолежащих сторонах.

На каждом из выступов 5, 6 соответственно расположена матрица 7, 8 зеркальных элементов 9, 10. При этом зеркальные элементы 9, 10 выполнены в качестве отражающих областей наружных сторон выступов 5, 6, в результате чего лазерное излучение 2 не попадает в конструктивный элемент 3.

Зеркальные элементы 9, 10 являются формованными поверхностями конструктивного элемента, которые оснащены отражающим покрытием. При этом зеркальные элементы 9, 10 расположены на поверхностях, которые на фиг. 1 и фиг. 2 доступны сверху, в результате чего упрощается изготовление зеркальных элементов, так как для формообразования поверхностей зеркальных элементов должно быть, например, произведено прессование подлежащего обработке материала только с одной стороны.

На фиг. 1 и фиг. 2 показано, что зеркальные элементы 9 первой матрицы 7 меньше, чем зеркальные элементы 10 второй матрицы 8. Далее, видно, что зеркальные элементы 9, 10 обеих матриц 7, 8 выполнены в качестве полых зеркал, так что оснащенная отражающим покрытием поверхность является соответственно выпуклой.

Исходящее от эмиттеров 1 лазерное излучение 2 отражается от первой матрицы 7 зеркальных элементов 9 ко второй матрице 8 зеркальных элементов 10. От второй матрицы 8 лазерное излучение 2 отражается на входную поверхность 11 не изображенного волоконного световода. При этом лазерные излучения 2 отдельных эмиттеров 1 могут коллимироваться соответственно одним из зеркальных элементов 9 первой матрицы 7. Каждое из этих коллимированных лазерных излучений 2 может быть отклонено соответственно одним из зеркальных элементов 10 второй матрицы 8 в направлении сердцевины волокна волоконного световода и сфокусировано на входной поверхности 11.

Структура в соответствии с фиг. 1 и фиг. 2 позволяет осуществлять сравнительно независимое от длины волны формообразование лазерного излучения 2, поскольку лазерное излучение 2 не проходит через конструктивный элемент 3. Во всяком случае за счет выбора отражающего покрытия могут быть обусловлены зависимости от длины волны.

Зеркальные элементы 9, 10 матриц 7, 8 могут быть выполнены таким образом, что они отклоняют лазерное излучение, как это описано в публикации WO 2015/091392 A1 для матрицы линз. Тем самым публикация WO 2015/091392 A1 посредством ссылки становится предметом настоящей заявки.

Зеркальные элементы 9 первой матрицы 7 расположены рядом друг с другом в первом направлении, которое соответствует направлению X показанной на фиг. 2 декартовой системы координат. Зеркальные элементы 10 второй матрицы 8 расположены рядом друг с другом во втором направлении, которое соответствует направлению Y показанной на фиг. 2 декартовой системы координат. При этом второе направление Y может быть перпендикулярным первому направлению Х. Символом Z в этой системе координат обозначено среднее направление распространения лазерного излучения, отраженного от второй матрицы 8.

Зеркальные элементы 9 первой матрицы 7 расположены рядом друг с другом во втором направлении Y, в отличие от чего зеркальные элементы 10 второй матрицы 8 расположены со смещением рядом друг с другом в первом направлении Х.

В частности, количество зеркальных элементов 9 первой матрицы 7 соответствует количеству зеркальных элементов 10 второй матрицы 8 или количеству эмиттеров 1 панели лазерных диодов. При этом первая матрица 7 и/или вторая матрица 8 могут быть выполнены таким образом, что отраженное от одного зеркального элемента 9 первой матрицы 7 лазерное излучение отражается точно от одного зеркального элемента 10 второй матрицы 8.

Зеркальные элементы 9 первой матрицы 7 выполнены, в частности, в качестве цилиндрических зеркал или схожих с цилиндрами зеркал, причем их оси цилиндров проходят, по меньшей мере, частично в направлении Х. При этом, например, ось цилиндра среднего зеркального элемента 9 параллельна направлению Х, в отличие от чего оси цилиндров других зеркальных элементов 9 образуют с направлением Х угол больше 0^о или меньше 0^о.

Также зеркальные элементы 10 второй матрицы 8 выполнены, в частности, в виде цилиндрических зеркал или схожих с цилиндрами зеркал, причем их оси цилиндров проходят, по меньшей мере, частично в направлении Y. При этом, например, ось цилиндра среднего зеркального элемента 10 расположена параллельно направлению Y, в отличие от чего оси цилиндров других зеркальных элементов 10 образуют с направлением Y угол больше 0^о или меньше 0^о.

Далее, существует возможность того, что зеркальные элементы 9 первой матрицы 7 соответственно отклонены по отношении друг к другу, так что каждый из зеркальных элементов 9 имеет ориентацию, отличную от ориентации других зеркальных элементов 9. Отклонение зеркальных элементов 9 первой матрицы 7 может быть осуществлено при этом в направлении Y.

Далее, существует возможность того, что зеркальные элементы 10 второй матрицы 8 отклонены относительно друг друга различным образом, так что каждый из зеркальных элементов 10 имеет ориентацию, отличную от ориентации других зеркальных элементов 10. Отклонение зеркальных элементов 10 второй матрицы 8 может быть осуществлено при этом в направлении Х.

Изображенное устройство может формировать лазерное излучение 2, исходящее от эмиттеров 1 не изображенной панели лазерных диодов. При этом, в частности, направление Х соответствует оси наименьшей скорости распространения света, а направление Y соответствует оси наибольшей скорости распространения света панели лазерных диодов.

Зеркальные элементы 9 первой матрицы 7 и зеркальные элементы 10 второй матрицы 8 служат как для отклонения падающего на них лазерного излучения 2, так и для отображения или коллимации лазерного излучения 2.

При этом, например, зеркальные элементы 9 первой матрицы 7 могут отображать исходящее от отдельных эмиттеров 1 лазерное излучение 2 относительно оси наибольшей скорости распространения света или относительно направления Y соответственно на входной поверхности 11 волоконного световода.

Одновременно различная ориентация осей цилиндров расположенных внецентренных зеркальных элементов 9 первой матрицы 7 обуславливает то, что исходящее от них лазерное излучение 2 отклоняется в направлении Х к оптической оси и попадает на зеркальные элементы 10 второй матрицы 8. Дополнительно соответственно различные отклонения зеркальных элементов 9 первой матрицы 7 обуславливают то, что исходящее от них лазерное излучение 2 отклоняется от оптической оси вверх и вниз в направлении Y и попадает на соответствующие зеркальные элементы 10 второй матрицы 8.

Далее, зеркальные элементы 10 второй матрицы 8 могут, например, отображать исходящее от отдельных эмиттеров 1 лазерное излучение 2 относительно оси наибольшей скорости распространения света или относительно направления Х соответственно на входной поверхности 11 волоконного световода.

Одновременно различная ориентация осей цилиндров внецентренных зеркальных элементов 10 второй матрицы 8 обуславливает то, что исходящее от внецентренных зеркальных элементов 9 первой матрицы 7 лазерное излучение 2 отклоняется в направлении Х таким образом, что оно проходит в плоскости Y-Z (см. фиг. 2). Дополнительно соответственно различные отклонения зеркальных элементов 10 второй матрицы 8 обуславливают то, что исходящее от внецентренных зеркальных элементов 9 первой матрицы 7 лазерное излучение 2 отклоняется в направлении Y вверх и вниз и попадает на входную поверхность 11 волоконного световода.

Альтернативно существует возможность того, что зеркальные элементы 9 первой матрицы 7 и/или зеркальные элементы 10 второй матрицы 8 не отображают исходящее от отдельных эмиттеров 1 лазерное излучение 2, а коллимируют его. В завершение коллимированное относительно оси наименьшей скорости распространения света и наибольшей скорости распространения света лазерное излучение может быть с помощью недорогой сферической оптики сфокусировано на входной поверхности 11 волоконного световода.

Вместо исполнения в качестве цилиндрических зеркал или схожих с цилиндрами зеркал зеркальные элементы 9, 10 первой и/или второй матрицы 7, 8 могут также иметь кривизну как в направлении Х, так и в направлении Y. При этом поверхности зеркальных элементов 9, 10 могут быть описаны, например, с помощью смешанных полиномов, при которых для каждой оси встречаются не только четные члены, но и также смешанные члены в Х и Y. Возможны также нечетные члены в Х и Y , большие, нежели лишь в первом порядке.

Фиг. 3, с одной стороны, а также фиг. 4 и фиг. 5, с другой стороны, показывают примеры исполнения, при которых зеркальные элементы 9, 10 расположены не на наружной стороне конструктивного элемента 3, а внутри конструктивного элемента 3, в результате чего происходят внутренние отражения.

На фиг. 3 предусмотрены плоская входная поверхность 12, а также плоская выходная поверхность 13 для лазерного излучения. Входная поверхность 12 и/или выходная поверхность 13 могут быть, однако, выполнены также в виде искривленных поверхностей и иметь, например, нецилиндрическую и несферическую форму.

Проходящее через входную поверхность 12 в конструктивный элемент 3 лазерное излучение 2 отражается на образующей первую матрицу 7 поверхности, которая соответствующим образом сформирована и по мере надобности оснащена снаружи покрытием, и при этом происходит его отклонение, а также коллимирование. При этом зеркальные элементы 9 первой матрицы 7 могут быть отделены друг от друга или, однако, плавно переходить друг в друга.

Образующая вторую матрицу 8 поверхность, которая также соответствующим образом сформирована и по мере необходимости оснащена снаружи покрытием, вновь отражает лазерное излучение 2. Эта образующая вторую матрицу 8 поверхность уже может обладать фокусирующими и/или формирующими луч свойствами. Также и зеркальные элементы 10 второй матрицы 8 могут быть отделены друг от друга или плавно переходить друг в друга.

Образующие первую матрицу 7 и вторую матрицу 8 поверхности сформированы, в частности, выпуклыми.

Лазерные излучения проходят через выходную поверхность 13 из конструктивного элемента 3. В случае показанного на фиг. 4 и фиг. 5 примера исполнения выходная поверхность 13 имеет кривизну, в частности, форму, обуславливающую или поддерживающую фокусировку.

Устройство для формирования лазерного излучения содержит первую и вторую матрицы зеркальных элементов для отклонения лазерного излучения, которые содержат множество расположенных рядом друг с другом оптических элементов, соответственно, в первом и во втором направлениях. Лазерное излучение отклоняется первым из зеркальных элементов первой и второй матрицы под другим углом, чем при отклонении вторым из зеркальных элементов. Устройство содержит конструктивный элемент, имеющий основание и два выходящих из основания выступа. Первая и вторая матрицы расположены на наружной стороне, соответственно, первого и второго выступов. Матрицы доступны с одной и той же стороны, так что при изготовлении устройства формообразование зеркальных элементов может производиться с одной стороны. Технический результат – упрощение изготовления зеркальных элементов. 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для формирования лазерного излучения (2), содержащее первую матрицу (7) оптических элементов для отклонения, и/или отображения, и/или коллимирования лазерного излучения (2), которая содержит множество расположенных рядом друг с другом в первом направлении (Х) оптических элементов, причем первая матрица (7) выполнена таким образом, что лазерное излучение (2) отклоняется первым из оптических элементов первой матрицы (7) относительно первого направления (Х) и/или относительно второго, отличного от первого, направления (Х), в частности перпендикулярного направления (Y), под другим углом, чем при отклонении вторым из оптических элементов первой матрицы (7), а также

- вторую матрицу (8) оптических элементов для отклонения, и/или отображения, и/или коллимирования лазерного излучения (2), которая содержит множество расположенных рядом друг с другом во втором направлении (Y) оптических элементов, причем вторая матрица (8) выполнена таким образом, что лазерное излучение (2) отклоняется первым из оптических элементов второй матрицы (8) относительно первого направления (Х) и/или относительно второго направления (Y) под другим углом, чем при отклонении вторым из оптических элементов второй матрицы (8),

отличающееся тем, что оптические элементы обеих матриц (7, 8) являются зеркальными элементами (9, 10), причем устройство содержит конструктивный элемент (3), имеющий основание (4) и два выходящих из основания (4) выступа (5,6), причем первая матрица (7) расположена на наружной стороне первого из двух выступов (5,6), а вторая матрица (8) расположена на наружной стороне второго из двух выступов (5,6), при этом матрицы (7, 8) доступны с одной и той же стороны, так что в рамках изготовления устройства формообразование зеркальных элементов (9, 10) может производиться с одной стороны.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первая матрица (7) и/или вторая матрица (8) выполнены таким образом, что лазерное излучение (2), отраженное от оптического элемента первой матрицы (7), точно отражается оптическим элементом второй матрицы (8), причем, в частности, количество оптических элементов первой матрицы (7) соответствует количеству оптических элементов второй матрицы (8).

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что оптические элементы первой матрицы (7) расположены смещенными относительно друг друга во втором направлении (Y) и/или что оптические элементы второй матрицы (8) расположены смещенными относительно друг друга в первом направлении (Х).

4. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что оптические элементы первой матрицы (7) и/или оптические элементы второй матрицы (8) выполнены в виде цилиндрических зеркал или в виде схожих с цилиндром зеркал.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одна из осей цилиндров цилиндрических зеркал или схожих с цилиндром зеркал первой матрицы (7) расположена относительно, по меньшей мере, одной из осей цилиндров цилиндрических зеркал или схожих с цилиндром зеркал второй матрицы (8) под углом, неравным 0^о и неравным 180^о, в частности под углом 90^о.

6. Устройство по п. 4 или 5, отличающееся тем, что

- оси цилиндров цилиндрических зеркал или схожих с цилиндром зеркал первой матрицы (7) либо параллельны первому направлению (Х), либо образуют с первым направлением (Х) угол меньше 45^о, предпочтительно меньше 35^о, в частности меньше 25^о, и/или что

- оси цилиндров цилиндрических зеркал или схожих с цилиндром зеркал второй матрицы (8) либо параллельны второму направлению (Y), либо образуют со вторым направлением (Y) угол меньше 45^о, предпочтительно меньше 35^о, в частности меньше 25^о.

7. Устройство по любому из пп. 4-6, отличающееся тем, что

- оси цилиндров, по меньшей мере, двух цилиндрических зеркал или схожих с цилиндром зеркал первой матрицы (7) расположены относительно друг друга под углом больше 0^о и меньше 25^о, предпочтительно под углом больше 0^о и меньше 15^о, в частности под углом больше 0^о и меньше 10^о, и/или что

- оси цилиндров, по меньшей мере, двух цилиндрических зеркал или схожих с цилиндром зеркал второй матрицы (8) расположены относительно друг друга под углом больше 0^о и меньше 25^о, предпочтительно под углом больше 0^о и меньше 15^о, в частности под углом больше 0^о и меньше 10^о.

8. Устройство по любому из пп. 1-7, отличающееся тем, что устройство может служить для формирования лазерного излучения, исходящего из панели лазерных диодов или комплекта панелей лазерных диодов, причем первое направление (Х) соответствует оси наименьшей скорости распространения света и второе направление (Y) соответствует оси наибольшей скорости распространения света или второе направление (Y) соответствует оси наименьшей скорости распространения света, а первое направление (Х) соответствует оси наибольшей скорости распространения света.

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

- по меньшей мере, одно из цилиндрических зеркал или схожих с цилиндром зеркал первой матрицы (7) выполнено таким образом, что оно может отображать исходящее от эмиттера панели лазерных диодов или комплекта панелей лазерных диодов лазерное излучение относительно второго направления (Y) на входной поверхности волоконного световода или коллимировать его относительно второго направления (Y), и/или что

- по меньшей мере, одно из цилиндрических зеркал или схожих с цилиндром зеркал второй матрицы (8) выполнено таким образом, что оно может отображать исходящее от эмиттера панели лазерных диодов или комплекта панелей лазерных диодов лазерное излучение относительно первого направления (Х) на входной поверхности волоконного световода или коллимировать его относительно первого направления (Х).

10. Устройство по любому из пп. 1-9, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один, в частности, все оптические элементы первой матрицы (7) и/или, по меньшей мере, один, в частности, все оптические элементы второй матрицы (8) являются искривленными в отношении как первого направления (Х), так и второго направления (Y).

11. Устройство по любому из пп. 1-10, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один, в частности, все оптические элементы первой матрицы (7) и/или, по меньшей мере, один, в частности, все оптические элементы второй матрицы (8) выполнены в виде поверхностей со свободной формой.

12. Устройство по любому из пп. 1-11, отличающееся тем, что зеркальные элементы (9, 10) первой и/или второй матрицы (7, 8) отделены друг от друга или плавно переходят друг в друга.