Система коррекции и коллимации пучка излучения полупроводникового лазера

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 02 В 27/30, 27/42

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЙ

Ф

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4676148/10 (22) 11.04.89 (46) 07.04.91. Бюл. 1 в 13 (71) Киевский научно-исследовательский и конструкторский институт периферийного оборудования (72) А.П.Логинов, А.Ф.Плевако, А.В.Гнатовский и Н.В.Медведь (53) 535.8 {088.8) (56) Украинский физический журнал. Т.23, 1978, Ьв 3, с. 513-514.

Патент США

М 4643538, кл. 350- 421, опублик. 17.02.87. (54) СИСТЕМА КОРРЕКЦИИ И КОЛЛИМАЦИИ ПУЧКА ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА (57) Изобретение относится к области оптического приборостроения и лазерной техни„„ Ж„„1640663 А1 ки и может быть использовано в системах обработки информации, где применяются полупроводниковые лазеры. Цель изобретения — одновременная коррекция формы сечения пучка полупроводникового лазера и его волнового фронта. Устройство содер- . жит полупроводниковый лазер 1, предварительный линзовый коллиматор 2, фазовый статистический транспарант 3 и комплексно сопряженный фильтр 4. Тело свечения полупроводникового лазера 1 совмещено с передней фокальной плоскостью предварительного коллиматора 2, расстояние мещду статистическим транспарантом 3 и комплексно сопряженным фильтром 4 удовлетворяет приближению дифракции Фраунгофера. Коррекция формы сечения лазерного пучка достигается тем, что рассеивающие центры статистического транспаранта 3 выполнены вытянутыми в плоскости р — n-перехода полупроводникбвого лазера 1, причем их размеры связаны с длиной волны полупроводникового лазера, размерами тела свечения и фокусным расстоянием предварительного коллиматора 2 заданным соотношением. Коррекция волнового фронта коллимируемого пучка достигается использованием комплексно сопряженного фильтра 4 для окончательной коллимации лазерного пучка, Фильтр имеет пропускание, комплексно сопряженное дифракционной картине

Фраунгофера, полученной при дифракции лазерного пучка на статистическом транспаранте. 8 результате устраняются фазовые искажения в волновом фронте коллимируемого пучка, что умешьнает его расходимость вплоть до дифракционной. 1 з.п.ф-лы, 3 ил., 1 табл. (2) 40

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, поясняющая 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 s виде фазового статистического трансформатора 3. рассеивающие центры которого имеют форму и ориентированы таким образом, что их большой размер коллинеарен плоскости р — n-перехода 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 использование дополнительной Фурье-линзы, . расположенной между статистическим транспарантом и комплексно сопряженным фильтром, который располагается в задней фокальной плоскости этой линзы. Таким образом, в плоскости комплексно сопряжен ного фильтра 4 формируется угловой спектр продифрагировавшего на статистическом транспаранте лазерного пучка, Тело свечения лазера 1 совмещено с передней фокальной плоскостью предварительного коллиматора 2. Размеры рассеива5

35 ющих центров фазового статического транспаранта 3 выбираются из соотношения а- + — = — + — (1)

Л а Л ац

Ж fk dil fk где бц, dl — размеры рассеивающих центров в направлении, коллинеарном и ортогональном плоскости р — n-перехода, соответственно; ац, а — размеры тела свечения полупроводникового лазера в плоскости р — и-перехода и ортогональной ей плоскости соответственно;

fa — фокусное расстояние предварительного линзового коллиматора 2;

il — длина волны излучения полупроводникового. лазера 1.

Система работает следующим образом.

Излучение полупроводникового лазера

1, имеющего тело свечения с размером ац в плоскости р —. n-перехода и al в ортогональной ей плоскости (ац> а ), предварительно коллимируется коллиматором 2, на выходе которого формируется слаборасходящийся (1-3 ) пучок с сечением, вытянутым вдоль направления, ортогонального плоскости р— и-перехода. Этот пучок дифрагирует на фазовом статистическом транспаранте 3, рассеивающие центры которого выполнены, например, овальными с размерами dll в плоскости р — n-перехода и di в ортогональной ей плоскости (фиг. 2}. Усредненное сечение (огибающая) в дифракционной картине

Фраунгофера (плоскость комплексно сопряженного фильтра 4) без учета размеров спекл-неоднородностей определяется соотношениями

0ц =ЛЯ/бц, 0l =ЛZ/dl, где Оц,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

1640663

55

10

25

35

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

При дифракции светового пучка с несимметричным сечением, каким обладает . полупроводниковый лазер, дифракционная картина искажается. Это искажение вызва но изменением формы спекл-неоднородностей, которая соответствует форме тела свечения полупроводникового лазера 1; размеры спекл-неоднородностей al! и а! в ( плоскости р — n-перехода и ортогональной ей плоскости, соответственно, связаны с размерами тела свечения аи и ai следующими соотношениями: а i=Zаи/fk, а i= Zai/fk. (3)

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

Ои =A,Z/би+ аи = iLZ/би+ Zaii/fk, О! =il Z/di+ a! = i2/di+ Zai/fk, (4) . иэ которой следует, что для формирования симметричной формы сечения в дифракционной картине необходимо выполнение условия Ои = О!, 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 сечением, удовлетворяющим соотношению

Ои/О! = P (P — некоторая заданная величина), выражение (1) переходит в более общее

-у- + — +P — +—

Л аи A. ai

ail fk di fk (5)

Механизм коррекции формы сечения пучка в плоскости комплексно сопряженного фильтра 4 иллюстрируется фиг. 3, Кривая

5 описывает дифракционную картину аксиально-симметричного пучка на фазовом статистическом транспаранте с рассеивающими центрами круглой формы. Кривая б 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 эа 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-фаэовая коррекция светового пучка, прошедшего через комплексно сопряженный фильтр, которая заключается в устранении фазовых неоднородностей 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 фор- мой 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 д-видный 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 ап в плоскости р — n-перехода.

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

2 = 100 мм; а! =. 1 мкм; d! = 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

1640663 8 фазового статистического транспаранта выбираются из соотношения

А aiA, ац

+ — = — +—

Ж ь бн Ь

100

150

20 ав мкм

di мкм

26,8

32,4

40.8

21,0

22,9

20,2

20,5

Составитель В, Кравченко

Техред М.Моргентал Корректор H. Король

Редактор Н. Тупица

Заказ 1016 Тираж 346 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

fl оиэводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 роиэв коллиматор, систему для коррекции формы сечения пучка и окончательный коллиматор, отличающаяся тем, что,с целью . обеспечения коррекции волнового фронта коллимируемого светового пучка при сохранении коррекции формы его сечения, система для коррекции .формы сечения пучка выполнена в виде фазового статистического транспаранта, рассеивающие центры кото- рого имеют вытянутую форму и ориентированы 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, отл и ча ю ща я ся тем,. что размеры рассеивающих центров где 1- длина волны излучения полупроводникового лазера; б и dn — размеры рассеивающих цент10 ров фазового статистического транспоранта в направлении, коллинеарном и ортогональном плоскости р — n-перехода полупроводникового лазера соответственно; ап, а — размеры тела свечения полупро15 водникового лазера в плоскости р — пперехода и ортогональной ей плоскости соответственно;

4 — фокусное расстояние предварительного линэавого коллиматора..