Линейка лазерных диодов

 

Изобретение относится к области полупроводниковых лазеров и может быть использовано в волоконно-оптической связи, медицине, при обработке материалов. Сущность: линейка лазерных диодов с просветляющим покрытием внешнего торца имеет высокоотражающее покрытие заднего глухого торца, содержит лазерные диоды, цилиндрическую микролинзу, плоское внешнее зеркало, причем в линейке использованы широкоапертурные (S > 50 мкм) многомодовые в поперечном направлении лазерные диоды, режим работы которых переведен из собственного многомодового в одномодовый в поперечном направлении во внешнем резонаторе. Внешний резонатор обеспечивает селекцию основной моды, имеющей гауссовское распределение в поперечном направлении для единичного широкоапертурного лазерного диода и селекцию супермод для сфазированной линейки. Двойная селекция мод позволяет увеличить мощность излучения линейки полупроводниковых лазерных диодов в сфазированном режиме при сохранении дифракционного предела расходимости, соответствующего синтезированной апертуре. Технической задачей изобретения является повышение мощности излучения линейки полупроводниковых лазерных диодов в сфазированном режиме при сохранении дифракционного предела расходимости, соответствующего синтезированной апертуре. 5 ил.

Изобретение относится к области полупроводниковых лазеров и предназначено для улучшения диаграммы направленности одномерного или двумерного набора лазерных диодов (линейка или матрица лазерных диодов соответственно).

Изобретение может быть использовано в волоконно-оптической связи, медицине, при обработке материалов.

Известно устройство [1] для синхронизации лазерного излучения всех инжекционных полупроводниковых лазеров, образующих линейку 1 лазерных диодов 2-5 (фиг. 1), содержащее микролинзу 7, в передней фокальной плоскости которой расположена линейка, плоское внешнее зеркало 11, установленное на пути излучения в задней фокальной плоскости микролинзы. За счет дифракционного обмена излучением между элементами устанавливается синхронизированный режим работы лазера. Недостатком данного устройства является использование линейки, состоящей из маломощных одномодовых лазерных диодов с шириной излучающего полоска S= 6 мкм и периодом следования лазерных диодов d=10 мкм, обеспечивающих одномодовое излучение, не позволяющих получить высокую мощность в сфазированном режиме. Кроме того, используемый метод селекции супермод резонатора основывается на применении пространственных фильтров 12, что снижает эффективность резонатора.

Наиболее близким к предложенному является устройство, описанное в работе [2] . В известном устройстве (фиг. 2) для синхронизации излучения линейки 1 инжекционных полупроводниковых лазеров 2-5 с просветляющим покрытием внешнего торца 6, оптические оси которых лежат в одной плоскости, эквидистантны и параллельны, включающее линейный набор микрооптических линз Френеля 7, коллимирующих излучение, использован эффект (Тальбо) самовоспроизведения оптических полей на определенных расстояниях для минимизации внутрирезонаторных потерь и улучшения селективных свойств резонатора, образованного высокоотражающим покрытием заднего глухого торца линейки 10 и плоским внешним зеркалом 11. Недостатком этого устройства является использование маломощных одномодовых в поперечном направлении излучателей, причем излучение последних коллимируется сложными и потому дорогостоящими линзами Френеля с 4 фазовыми уровнями.

Технической задачей изобретения является повышение мощности излучения в сфазированном режиме, сохранение дифракционного предела расходимости излучения, соответствующего синтезированной апертуре и упрощение конструкции.

Для решения поставленной технической задачи использована линейка лазерных диодов, с просветляющим покрытием внешнего торца, имеющая высокоотражающее покрытие заднего глухого торца, содержащая лазерные диоды, цилиндрическую микролинзу, плоское внешнее зеркало, причем в линейке использованы широкоапертурные (S > 50 мкм) многомодовые, в поперечном направлении, лазерные диоды, режим работы которых переведен из собственного многомодового в одномодовый в поперечном направлении во внешнем резонаторе, т. е. числа Френеля удовлетворяют условию N_F = (S/2)²/ λ L≤1, (1) где S - ширина полоска лазерного диода, λ - длина волны излучения, L - длина внешнего резонатора, а плоское внешнее зеркало установлено в пределах, нижний (соответствующий минимальной удаленности плоского внешнего зеркала) из которых определен переводом из многомодового в поперечном направлении режима работы единичного лазерного диода в одномодовый, а верхний (соответствующий максимальной удаленности плоского внешнего зеркала) - уровнем максимально возможных дифракционных потерь, при котором не наступает срыв генерации во внешнем резонаторе и в котором одновременно обеспечен дифракционный обмен излучением между лазерными диодами за счет отражения излучения от плоского внешнего зеркала так, что установлен сфазированный режим работы линейки во внешнем резонаторе.

Полученные таким образом одномодовые лазеры синхронизируются за счет дифракционного обмена излучением во внешнем резонаторе и при селекции супермод резонатора обеспечен дифракционный предел расходимости излучения, соответствующей синтезированной апертуры D = Nd (где N - число излучателей) с более высокой мощностью, в сравнении с прототипом, вследствие фазовой синхронизации мощных широкоапертурных лазерных диодов.

На фиг. 1 представлено устройство для синхронизации излучений линейного набора полупроводниковых лазеров во внешнем резонаторе - (аналог) [1], где 1 - линейка, 2,3,4,5 - лазерные диоды, 6 - просветляющее покрытие внешнего торца, 7 - микролинза, 10 -высокоотражающее покрытие заднего глухого торца линейки, 11 - плоское внешнее зеркало, 12 - пространственный фильтр (диафрагма).

На фиг. 2 приведена схема устройства для синхронизации излучений линейного набора полупроводниковых лазеров во внешнем резонаторе и концентрации энергии в один пичок - (прототип), где 1 - линейка, 2,3,4,5 - лазерные диоды, 6 - просветляющее покрытие внешнего торца, 8 - линейный набор микролинз Френеля, 10 - высокоотражающее покрытие заднего глухого торца линейки, 11 - плоское внешнее зеркало.

На фиг. 3 изображена схема предложенного устройства, где 1 - линейка, 2,3,4,5 - широкоапертурные, многомодовые лазерные диоды, 6 - просветляющее покрытие внешнего торца, 9 - цилиндрическая микролинза, 10 - высокоотражающее покрытие заднего глухого торца линейки, 11 - плоское внешнее зеркало.

На фиг. 4 представлено распределение в, дальней зоне интенсивности излучения единичного лазерного диода, полученное при генерации во внешнем резонаторе, где 13 -экспериментальная кривая распределения интенсивности излучения, 14 - теоретическая кривая распределения интенсивности излучения соответствующая гауссовскому профилю.

На фиг. 5 приведено распределение интенсивности излучения в дальней зоне полученное от синхронизированной линейки четырех широкоапертурных лазерных диодов, где: 14 - теоретическая кривая, огибающая дифракционные пички, соответствующая гауссовскому распределению интенсивности излучения единичного лазерного диода, 15 - дифракционный пичок синфазной супермоды, 16 - пички антифазной супермоды.

Предложенное устройство работает следующим образом. Излучение линейки 1 лазерных диодов 2,3,4,5 расходится вследствие дифракции на выходной апертуре. Для предотвращения больших дифракционных потерь резонатора в плоскости YZ, перпендикулярной р-n-переходу, перед линейкой устанавливается цилиндрическая микролинза 9, обеспечивающая коллимацию излучения в плоскости, перпендикулярной р-n-переходу. Расстояние между цилиндрической микролинзой и внешним торцом линейки с просветляющим покрытием, которое наносится с целью предотвращения развития генерации на торцах лазерных диодов, подбирается из условия минимальной расходимости сколлимированного излучения. После прохода цилиндрической микролинзы излучение распространяется свободно до плоского внешнего зеркала 11, которое совместно с высокоотражающим покрытием заднего глухого торца 10 линейки образуют резонатор с внешним зеркалом, т.е. внешний резонатор.

Синхронизация излучений лазерных диодов происходит за счет дифракционного обмена излучением в плоскости XZ р-n-перехода во внешнем резонаторе при отражении от плоского внешнего зеркала 11 и его возвращении на линейку лазерных диодов. Дифракционный предел излучения синтезированной апертуры D = Nd, составленной из широкоапертурных лазерных диодов, излучающих собственное многомодовое излучение в поперечном направлении, достигается за счет перевода работы лазерных диодов из многомодового в одномодовый в поперечном направлении, что реализуется только во внешнем резонаторе без значительного снижения мощности и применения диафрагм при условии L ≥ (S/2)²/ λ и селекции супермод резонатора.

Таким образом, предложенное устройство решает следующие частные технические задачи: за счет использования широкоапертурных, многомодовых лазерных диодов повышена мощность излучения в сфазированном режиме; за счет подбора параметров ширины полоска лазерного диода S и длины внешнего резонатора L получен одномодовый, в поперечном направлении, режим генерации излучения единичного лазерного диода во внешнем резонаторе, что необходимо для достижения дифракционного предела расходимости излучения, соответствующего синтезированной апертуре D = Nd; за счет селективных свойств обеспечена возможность генерации синфазной супермоды резонатора; за счет одновременной двойной селекции мод и супермод резонатора обеспечивается достижение дифракционного предела расходимости излучения, соответствующего синтезированной апертуре D = Nd.

Сопоставительный анализ предложенного устройства с аналогами и с прототипом и анализ других источников информации дает основание считать, что заявляемое устройство находится в соответствии с критерием "новизна".

При сравнении формулы изобретения с другими техническими решениями в данной области техники не обнаружено решений, обладающих сходными признаками и решающими аналогичные техническе задачи, что позволяет сделать вывод о соответствию критерию "изобретательский уровень".

Увеличивая число лазерных диодов, можно повысить мощность и интенсивность излучения в сфазированном режиме. Данное устройство может быть использовано при синхронизации двумерных матриц лазерных диодов.

Пример. Экспериментально продемонстрирована синхронизация четырех широкоапертурных (S=120 мкм) лазерных диодов, расположенных с периодом следования d=200 мкм, излучающих на длине волны λ ≈0.8 мкм. Цилиндрическая микролинза с диаметром 350 мкм располагалась на расстоянии ≈ 500 мкм от внешнего торца линейки с просветляющим покрытием. Плоское внешнее зеркало устанавливалось на расстоянии L= 1 см так, что выполнялось условие (1) одномодовости излучения N_f= 0,5 ≤ 1. На фиг. 4 приведено распределение интенсивности излучения отдельного диода во внешнем резонаторе при токе I =1,2 А, которое соответствует основной моде резонатора описываемой гауссовским профилем, что доказывает факт перевода работы широкоапертурного диода в одномодовый режим.

Далее, принимая во внимание, что в резонаторе реализовывалась схема преимущественно дифракционной связи соседних диодов, для которой теоретическое значение угловой ширины дифракционных пичков, измеренное на уровне полувысоты интенсивности, вычисляется по формуле для N = 4, λ = 0,8 мкм, d = 200 мкм, получим δϑ = 1,2 мрад. На фиг. 5 представлено распределение интенсивности излучения в дальней зоне, полученное от четырех сфазированных широкоапертурных лазерных диодов, с шириной главного максимума δϑ 1,2 мрад, в соответствии с формулой (2).

Здесь необходимо сказать, что помимо синфазной супермоды, ответственной за центральный пик 15, в резонаторе генерировалась антифазная супермода, ответственная за появление двух боковых пичков 16, расположенных симметрично относительно центрального пика. Интенсивность боковых пичков определяется огибающей распределения 14 от единичного диода, которая в свою очередь определяется параметрами излучающей апертуры диода. Распределение относительной мощности ρ излучения в дальней зоне по пичкам с угловым направлением ϑ = mλ/2d при токе I= 1,2 А на диод имеет следующий вид: ρ_m=0 = 44%, ρ_m=±1 = 21%, ρ_f = 12%, где ρ_f - доля мощности фонового излучения.

Таким образом, в описанном устройстве использовано фундаментальное свойство резонатора выделять одну поперечную моду для единичного лазерного диода при длине резонатора L, удовлетворяющей условию (1), а также селектировать супермоды сфазированного набора излучателей, что позволяет получить дифракционную расходимость пичков, при этом размер полоска, а значит и мощность излучения лазерного диода, может быть произвольной.

Литература 1. J.Yaeli, W. Streifer, D.R. Scifres et al., Appl. Phys. Lett. 47 (2), 89-91 (1985).

2. Coherent beam combining of lasers using microlenses and diffractive coupling. Patent number 4813762, Mar. 21, 1989.

Формула изобретения

Линейка лазерных диодов с просветляющим покрытием внешнего торца, имеющая высокоотражающее покрытие заднего глухого торца, содержащая лазерные диоды, плоское внешнее зеркало, отличающаяся тем, что для коллимации излучения линейки в плоскости, перпендикулярной p-n-переходу, применена цилиндрическая микролинза, а в линейке использованы широкоапертурные многомодовые в поперечном направлении лазерные диоды, режим работы которых переведен из собственного многомодового в одномодовый в поперечном направлении во внешнем резонаторе, причем числа Френеля удовлетворяют условно N_F= (S/2)²/λL ≤ 1, где S - ширина полоска лазерного диода, λ - длина волна излучения, L - длина внешнего резонатора, а плоское внешнее зеркало установлено в пределах, нижний из которых определен переводом из многомодового в поперечном направлении режима работы единичного лазерного диода в одномодовый, а верхний - уровнем максимально возможных дифракционных потерь, при котором не наступает срыв генерации во внешнем резонаторе и в котором одновременно обеспечен дифракционный обмен излучением между лазерным диодами за счет отражения излучения от плоского внешнего зеркала так, что установлен сфазированный режим работы линейки во внешнем резонаторе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5