Коллимирующая оптическая система для полупроводниковых лазеров

 

Коллимирующая оптическая система содержит последовательно расположенные по ходу лучей полупроводниковые лазеры, объективы и группу призм. Ребра преломляющих двугранных углов призм ориентированы параллельно плоскостям полупроводниковых переходов. Ребра преломляющих двугранных углов первой и второй призм расположены по разные стороны лазерного пучка. При этом параметры, характеризующие свойства оптической системы и материала призм, связаны математическим соотношением. Обеспечивается постоянство пространственного положения выходного коллимированного пучка при воздействии пониженной и повышенной температур окружающей среды. 1 ил.

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^o, преломляющий угол призм выбирается в пределах 10-40^o, а угол β ориентации призм по отношению к оптической оси связан с преломляющим углом α соотношением β = (2-3)α [1]. 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 в случае ее применения для полупроводниковых лазеров является угловое смещение выходного коллимированного пучка при воздействии пониженной и повышенной температуры, что связано с неудобством работы и ухудшением точности наведения выходного пучка. Причиной углового смещения выходного пучка при воздействии пониженной и повышенной температуры является, во-первых, температурное изменение длины волны излучения полупроводникового лазера и дисперсия материала призм, во-вторых, температурное изменение показателя преломления материала призм.

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 полупроводниковому переходу, преломляющие углы призм выбираются в пределах 25-40^o, угловое увеличение G группы призм выбирается из следующего соотношения: где 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 δ_o, определяемое соотношением где 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·δ_o·(u/Θ_⊥)², где u - апертурный угол объектива [2].

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: где углы расходимости излучения полупроводниковых лазеров в плоскостях, параллельной и перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода соответственно, k - количество полупроводниковых лазеров [2].

Недостатком указанной оптической системы при использовании ее как для одного, так и для нескольких полупроводниковых лазеров является угловое смещение выходного коллимированного пучка при воздействии пониженной и повышенной температуры, что связано с неудобством работы и ухудшением точности наведения выходного пучка. Причиной углового смещения выходного пучка при воздействии пониженной и повышенной температуры являются, во-первых, температурное изменение длины волны излучения полупроводникового лазера и дисперсия материала призм, во-вторых, температурное изменение показателя преломления материала призм.

Технической задачей изобретения является обеспечение постоянства пространственного положения выходного коллимированного пучка при воздействии пониженной и повышенной температуры окружающей среды.

Технический результат достигается тем, что в коллимирующей оптической системе для полупроводниковых лазеров, содержащей последовательно расположенные по ходу лучей объективы, установленные напротив полупроводниковых лазеров, и группу призм, ребра преломляющих двугранных углов которых ориентированы параллельно плоскостям полупроводниковых переходов, ребра преломляющих двугранных углов первой и второй призм расположены по разные стороны относительно лазерного пучка, при этом выполняется следующее соотношение:


∂β_i/∂n_i - коэффициент зависимости углового отклонения лучей от показателя преломления материала i-й призмы,
∂n_i/∂λ - дисперсия материала i-й призмы,
∂λ/∂t - температурный коэффициент длины волны излучения полупроводникового лазера,
∂n_i/∂t - температурный коэффициент показателя преломления материала i-й призмы,
G_i - угловое увеличение i-й призмы,
m - количество призм,
λ - длина волны излучения полупроводниковых лазеров,
Θ_⊥ - угловая расходимость излучения полупроводникового лазера по уровню 0.5 в плоскости, перпендикулярной полупроводниковому переходу,
f - фокусное расстояние объективов.

Постоянство пространственного положения коллимированного выходного пучка при воздействии пониженной и повышенной температуры обеспечивается тем, что действие первой призмы компенсируется действием второй и последующих призм.

На чертеже показана коллимирующая оптическая система для полупроводниковых лазеров, поперечный разрез в плоскости, перпендикулярной плоскости полупроводниковых переходов.

Коллимирующая оптическая система содержит десять коллимирующих объективов 2, установленных напротив десяти полупроводниковых лазеров 1, и четыре призмы 3-6. Ребра двугранных углов, образованных преломляющими гранями призм, ориентированы параллельно плоскостям полупроводниковых переходов полупроводниковых лазеров 1. При этом ребра преломляющих двугранных углов призм 3 и 4 расположены по разные стороны относительно лазерного пучка.

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

Входные грани всех призм установлены перпендикулярно падающему на них пучку, при этом угол отклонения лучей в призме 3 равен по величине и противоположен по знаку углу отклонения лучей в призме 4, а угол отклонения лучей в призме 5 равен по величине и противоположен по знаку углу отклонения лучей в призме 6.

Угловая дисперсия призмы 3 выбирается меньше угловой дисперсии призм 4-6. С этой целью призма 3 изготавливается из стекла с малой дисперсией, а призмы 4-6 - из стекла с большой дисперсией.

Коллимирующая оптическая система работает следующим образом. Сильно расходящийся световой пучок от каждого из полупроводниковых лазеров преобразуется соответствующим объективом в слабо расходящийся световой пучок, ось которого параллельна оси Z. В плоскости XZ все эти пучки объединяются в общий пучок, который проходит через группу призм. Призмы трансформируют световой пучок, уменьшая его поперечный размер и увеличивая его угловую расходимость. В результате на выходе коллимирующей оптической системы формируется световой пучок с требуемыми геометрическими параметрами.

Например, если требуется сформировать коллимированный световой пучок, близкий к осесимметричному, то конструктивные параметры коллимирующей оптической системы следует выбирать в соответствии с [2].

При изменении температуры окружающей среды происходит угловое смещение светового пучка на каждой из призм. Причиной этого являются, во-первых, температурное изменение длины волны излучения полупроводникового лазера и дисперсия материала призм, во-вторых, температурное изменение показателя преломления материала призм.

Так как угловые смещения, вызванные изменением температуры окружающей среды, невелики, то угловое смещение светового пучка на всей группе призм определяется суммой угловых смещений на каждой из призм, взятых с учетом знака и умноженных на угловое увеличение всех следующих за ней призм.

Указанная сумма выбирается близкой к нулю. Необходимым условием для этого является то, что ребра преломляющих двугранных углов первой и второй призм расположены по разные стороны относительно светового пучка. Действительно, так как угловое увеличение призм больше единицы, то слагаемые, соответствующие первой и второй призмам, являются наибольшими по абсолютной величине, а так как ребра преломляющих двугранных углов этих призм расположены по разные стороны относительно светового пучка, то эти слагаемые противоположны по знаку и могут взаимно компенсироваться. Слагаемые, соответствующие третьей и последующим призмам, значительно меньше указанных, поэтому расположение этих призм не является существенным для взаимной компенсации действия всех призм.

Практически нет необходимости обеспечивать полную взаимную компенсацию действия всех призм. Достаточно, если угловое смещение выходного коллимированного пучка, соответствующее максимально возможному изменению температуры, не будет превышать по абсолютной величине 1/4 угловой расходимости этого пучка по уровню 0.5.

Таким образом, благодаря неполной взаимной компенсации действия всех призм, обеспечивается постоянство пространственного положения выходного коллимированного пучка при воздействии пониженной и повышенной температуры окружающей среды.

Введем обозначения:
dβ/dt - изменение углового отклонения лучей на всей группе призм при изменении температуры на 1^oC,
dβ_i/dt - - изменение углового отклонения лучей на i-й призме при изменении температуры на 1^oC,
G_i - угловое увеличение i-й призмы,
m - количество призм,
Δt - максимальное изменение температуры окружающей среды,
δ - угловая расходимость выходного коллимированного пучка по уровню 0.5;
λ - длина волны излучения полупроводникового лазера,
Θ_⊥ - угловая расходимость излучения полупроводникового лазера по уровню 0.5 в плоскости, перпендикулярной полупроводниковому переходу,
f - фокусное расстояние объектива.

Изменение углового отклонения считается положительным, если оно направлено по часовой стрелке, и отрицательным, если оно направлено против часовой стрелки.

Условие постоянства пространственного положения выходного коллимированного пучка при воздействии пониженной и повышенной температуры окружающей среды определяется соотношением:

В плоскости, перпендикулярной полупроводниковому переходу, полупроводниковый лазер излучает только одну поперечную моду, поэтому световой пучок в этой плоскости является гауссовым пучком. Угловая расходимость выходного коллимированного пучка по уровню 0.5 определяется следующим соотношением (смотри, например, [3]):

Типичное значение максимального изменения температуры окружающей среды Δt = 30^oC. Подставляя это значение в соотношение (1) и учитывая соотношение (2), можно получить

В коллимирующей оптической системе, показанной на чертеже, количество призм m = 4, и соотношение (3) можно представить в виде

Изменение углового отклонения лучей на каждой призме зависит от показателя преломления материала призмы, который, в свою очередь, зависит от длины волны излучения полупроводникового лазера и от температуры окружающей среды. Изменение углового отклонения лучей на i-й призме при изменении температуры на 1^oC определяется следующим соотношением:

где ∂n_i/∂λ - дисперсия материала i-й призмы, определяемая как изменение показателя преломления при изменении длины волны на 1 нм,
∂λ/∂t - температурный коэффициент длины волны излучения полупроводникового лазера, определяемый как изменение длины волны в нм при изменении температуры на 1^oC.

∂n_i/∂t - температурный коэффициент показателя преломления материала i-й призмы, определяемый как изменение показателя преломления при изменении температуры на 1^oC.

Рассмотрим пример конкретного выполнения коллимирующей оптической системы для десяти полупроводниковых лазеров типа SDL-2360, у которых длина волны излучения λ = 830 нм, углы расходимости излучения по уровню 0.5 в плоскостях, параллельной и перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода, 8^o·30^o, размеры тела свечения в плоскостях, параллельной и перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода, 100·1 мкм, температурный коэффициент длины волны излучения ∂λ/∂t = 0.3 нм/град. [4].

Будем считать, что в коллимирующей оптической системе, показанной на фиг. 1, входные грани призм установлены перпендикулярно падающим на них лучам, преломляющие углы призм выполнены одинаковыми и равными α = 33^o, причем призма 3 изготовлена из стекла СТК9, а призмы 4-6 - из стекла ТФ5. Показатели преломления этих стекол примерно равны, однако стекло СТК9 имеет значительно меньшую дисперсию, чем стекло ТФ5. Отметим, что при этом выполняется условие равенства поперечных размеров светового пучка на выходе коллимирующей оптической системы [2].

Угловая расходимость выходного коллимированного пучка по уровню 0.5 находится из соотношения (2) и составляет δ = 10 угловых минут.

Изменение углового отклонения лучей в коллимирующей оптической системе при изменении температуры окружающей среды на 1^oC находится по соотношениям (4) и (5). Используя константы стекол, указанные в [5], получим
dβ/dt = 0.008 мрад/град. Выражение в правой части (4) равно 0.02 мрад/град, то есть соотношение (4) выполняется. При этом изменению температуры окружающей среды Δt = 30^oC соответствует изменение углового отклонения лучей Δβ = 0.9 угловых минут, что практически несущественно. Отметим, что если бы все призмы были изготовлены из стекла ТФ5, то соответствующие значения составили бы dβ/dt = 0.1 мрад/град и Δβ = 12 угловых минут, что во многих случаях является недопустимым.

Таким образом в предлагаемой коллимирующей оптической системе обеспечивается постоянство пространственного положения выходного коллимированного пучка при воздействии пониженной и повышенной температуры окружающей среды, что позволяет использовать ее в системах оптической локации, оптической связи, управления и наблюдательных приборах, работающих в полевых условиях.

Список использованных источников
1. Авторское свидетельство СССР N 1624392, G 02 B 27/30, 30.01.91.

2. Патент РФ N 2107743, G 02 B 27/30, 10.01.98.

3. Пахомов И.И., Цибуля А.Б. Расчет оптических систем лазерных приборов. - М.: Радио и связь, 1986, с. 6.

4. Laser diode product catalog. Spectra Diode Labs. - 1993.

5. Оптическое стекло. Альбом - каталог СССР - ГДР. - В/О Машприборинторг, 1984.

Формула изобретения

Коллимирующая оптическая система для полупроводниковых лазеров, содержащая последовательно расположенные по ходу лучей объективы, установленные напротив полупроводниковых лазеров, и группу призм, ребра преломляющих двугранных углов которых ориентированы параллельно плоскостям полупроводниковых переходов, отличающаяся тем, что ребра преломляющих двугранных углов первой и второй призм расположены по разные стороны лазерного пучка, при этом выполняется следующее соотношение:


∂β_i/∂n_i - коэффициент зависимости углового отклонения лучей от показателя преломления материала i-й призмы;
∂n_i/∂λ - дисперсия материала i-й призмы;
∂λ/∂t - температурный коэффициент длины волны излучения полупроводникового лазера;
∂n_i/∂t температурный коэффициент показателя преломления материала i-й призмы;
G_i - угловое увеличение i-й призмы;
m - количество призм;
λ - длина волны излучения полупроводникового лазера;
Θ_⊥ - угловая расходимость излучения полупроводникового лазера по уровню 0,5 в плоскости, перпендикулярной полупроводниковому переходу;
f - фокусное расстояние объектива.

РИСУНКИ

Рисунок 1