Система коррекции и коллимации пучка излучения полупроводникового лазера Советский патент 1991 года по МПК G02B27/30 G02B27/42 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и лазерной технике и предназначено для коллимации и коррекции волнового фронта и формы сечения пучка полупроводникового лазера.

Цель изобретения - обеспечение коррекции волнового фронта коллимируемого светового пучка при сохранении коррекции формы его сечения.

На фиг. 1 приведена оптическая схема устройства; на фиг. 2 - фазовый статистический транспарант с рассеивающими центрами овальной формы, фрагмент; на фиг. 3 - схема сечения пучка в плоскости комплексно сопряженного фильтра, пояс- няющая механизм коррекции формы сечения пучка.

В системе, содержащей последовательно расположенные полупроводниковый лазер 1, предваритеьный линзовый коллиматор 2. систему для коррекции формы сечения пучка и окончательный коллиматор, система для коррекции формы пучка выполнена в виде фазового статистического трансформатора 3, рассеивающие цент- ры которого имеют форму и ориентирова- ны таким образом, что их большой размер коллинеарен плоскости р - п-пере- хода полупроводникового лазера 1, а окончательный коллиматор выполнен в виде комплексно сопряженного фильтра 4, удаленного от статистического транспаранта на расстояние Z, удовлетворяющее приближению дифракции Фраунгофера. Для этого в схеме системы допускается использо- вание дополнительной Фурье-линзы, расположенной между статистическим транспарантом и комплексно сопряженным фильтром, который располагается в задней фокальной плоскости этой линзы. Таким об- разом, в плоскости комплексно сопряженного фильтра, 4 формируется угловой спектр продифрагировавшего на статистическом транспаранте лазерного пучка.

Тело свечения лазера 1 совмещено с передней фокальной плоскостью предварительного коллиматора 2. Размеры рассеивающих центров фазового статического транспаранта 3 выбираются из соотношения

Я , ai

-т- + Т

О| fk

О)

A + aji dii fk

где dn, di - размеры рассеивающих центров в направлении, коллинеарном и ортогональном плоскости р - n-перехода, соответственно;

аи, ai - размеры тела свечения полупроводникового лазера в плоскости р - п-пе- рехода и ортогональной ей плоскости соответственно;

fk - фокусное расстояние предварительного линзового коллиматора 2;

Я-длина волны излучения полупроводникового лазера 1.

Система работает следующим образом.

Излучение полупроводникового лазера 1, имеющего тело свечения с размером аи в плоскости р -. n-перехода и ai в ортогональной ей плоскости (ац ai), предварительно коллимируется коллиматором 2, на выходе которого формируется слаборасходящийся (1-3°) пучок с сечением, вытянутым вдоль направления, ортогонального плоскости р - n-перехода. Этот пучок дифрагирует на фазовом статистическом транспаранте 3, рассеивающие центры которого выполнены, например, овальными с размерами dn в плоскости р- п-перехода и di в ортогональной ей1 плоскости (фиг. 2). Усредненное сечение (огибающая) в дифракционной картине Фраунгофера (плоскость комплексно сопряженного фильтра 4) без учета размеров спекл-неоднородностей определяется соотношениями

Dn AZ/dii,

(2)

Di AZ/di,

где Dii.Di - размеры сечения дифракционной картины в плоскости р - n-перехода и в ортогональной плоскости соответственно. Учет размеров спекл-неоднородностей приводит к увеличению сечения дифракционной картины на величину, равную диаметру спекл-неоднородностей, при этом, если

спекл-неоднородности круглые, то форма дифракционной картины не искажается.

При дифракции светового пучка с не- симметричным сечением, каким обладает полупроводниковый лазер, дифракционная картина искажается. Это искажение вызва - но изменением формы спекл-неоднородно- стей, которая соответствует форме тела свечения полупроводникового лазера 1; размеры спекл-неоднородностей аи и a i в плоскости р - n-перехода и ортогональной ей плоскости, соответственно, связаны с размерами тела свечения аи и ai следующими соотношениями:

a fi Zaii/fk,

af Zai/fk.(3)

С учетом размеров спека-неоднородностей (3) выражение для сечения дифракционной картины (2) переходит в

- Dit AZ/dn + aii AZ/dii + Zan/fk,

Di AZ/di + ai AZ/di + Zai/fk ,(4)

из которой следует, что для формирования симметричной формы сечения в дифракци- онной картине необходимо выполнение условия DII DI, которое приводит к соотношению (1).

Из выражения (1) следует также возможность формирования пучка с сечением, отличным от круглого, но и отличным от сечения исходного пучка. Например, при необходимости формирования пучка с сече- нием, удовлетворяющим соотношению DII/DI /3( некоторая заданная величи- на), выражение (1) переходит в более общее А , аи а /А аА..

cJiI+ iT+(d + fkj-®

Механизм коррекции формы сечения пучка в плоскости комплексно сопряженно- го фильтра 4 иллюстрируется фиг. 3. Кривая 5 описывает дифракционную картину аксиально-симметричного пучка на фазовом статистическом транспаранте с рассеивающими центрами круглой формы. Кривая 6 показывает деформацию сечения дифракционной картины при нарушении симметрии сечения лазерного пучка от астигматического источника и сохранении круглой формы рассеивающих центров. На кривой 7 показано восстановление круглого сечения в дифракционной картине от астигматического пучка при использовании рассеивающих центров овальной формы, размеры которых удовлетворяют условию (1). Из приведенных на фиг. 3 кривых следует, что увеличение расходимости лазерного пучка в одной плоскости за счет астигматизма компенсируется увеличением расходимости пучка в ортогональной ей плоскости за счет увеличения угла дифракции, обусловленного уменьшением размеров рассеивающих центров статистического транспаранта в этой плоскости.

Окончательная коллимация лазерного пучка осуществляется с помощью комплексно сопряженного фильтра 4, изготовленного, например, голографическим способом. Комплексно сопряженный фильтр имеет коэффициент пропускания, комплексно сопряженный распределению поля по сечению падающего на него светового пучка. В результате происходит амплитудно-фазовая коррекция светового пучка, прошедшего через комплексно сопряженный фильтр, которая заключается в устранении фазовых неодно- родностей в волновом фронте пучка. Следовательно, на выходе комплексно сопряженного фильтра 4 формируется световой пучок с плоским волновым фронтом и неоднородным распределением интенсивности, связанным с наличием спекл-неоднородностей. Сечение этого пучка определяется формой исходного лазерного пучка и формой рассевающих центров статистического транспоранта 3 согласно выражениям (1) и (5).

Угловой спектр скорректированного пучка на выходе комплексно сопряженного фильтра 4 определяется пространственной автокорреляционной функцией статистического транспаранта 3, которая имеет 5-вид- ный характер.

В таблице приведены данные,представляющие собой пример возможной конкретной реализации системы коррекции и коллимации пучка излучения полупроводникового лазера для различных значений размеров тела свечения аи в плоскости р - п-перехода.

Предполагается, что размер рассеивающих центров di одинаков, а компенсация астигматизма достигается варьированием величины dn в соответствии с соотношением (1). Значения параметров системы выбраны следующие: А 780 нм: fk 10 мм; Z 100 мм; а мкм; di 20 мкм.

Рассмотренный пример выполнения фазового статистического транспаранта предназначен для формирования круглых или овальных световых пучков. Использование рассеивающих центров другой формы, например прямоугольной, позволяет формировать пучки соответственно с прямоугольным или квадратным сечением.

Формула изобретения

1. Система коррекции и коллимации пучка излучения полупроводникового лазера, содержащая последовательно расположенные предварительный линзовый

коллиматор, систему для коррекции формы сечения пучка и окончательный коллиматор, отличающаяся тем, что,с целью обеспечения коррекции волнового фронта коллимируемого светового лучка при сохра- нении коррекции формы его сечения, система для коррекции формы сечения пучка выполнена в виде фазового статистического транспаранта, рассеивающие центры которого имеют вытянутую форму и ориентире- ваны таким образом, что их больший размер коллинеарен плоскости р - n-перехода полупроводникового лазера, а окончательный коллиматор выполнен в виде комплексно сопряженного фильтра, удаленного от фазового статистического транспаранта на расстояние, удовлетворяющее приближению дифракции Фраунгофера.

2. Система по п.1 .отличающаяся тем, что размеры рассеивающих центров

фазового статистического транспаранта выбираются из соотношения

A . + li eft fk dn fk

где К - длина волны излучения полупроводникового лазера;

di и dit - размеры рассеивающих центров фазового статистического транспоранта в направлении, коллинеарном и ортогональном плоскости р - n-лерехода полупроводникового лазера соответственно;

ац. at - размеры тела свечения полупроводникового лазера в плоскости р - п- перехода и ортогональной ей плоскости соответственно;

fk - фокусное расстояние предварительного линзового коллиматора.

Щи г. 2

ФигЗ