Линейка лазерных диодов

Полезная модель предназначена для повышения пространственной концентрации излучения одномерного набора лазерных диодов. Использование цилиндрической микролинзы, коллимирующей излучение широкоапертурных многомодовых в поперечном направлении лазерных диодов, а также оптимизация длины внешнего резонатора, образованного плоским внешним зеркалом и высокоотражающим покрытием заднего глухого торца линейки, позволяют обеспечить одномодовый режим работы в поперечном направлении, повышенную мощность излучения в сфазированном режиме с сохранением дифракционного предела расходимости. Концентрация всей энергии излучения в центральный пик достигается за счет использования свойства гауссова пучка изменять кривизну собственного волнового фронта и свой поперечный размер при распространении в свободном пространстве и свойства положительной линзы значительно уменьшать размер перетяжки в задней фокальной плоскости при условии, что фокусное расстояние линзы значительно меньше релеевской длины фокусируемого пучка и расстояния между линзой и исходной перетяжкой.

1 н.п.ф., 2 фиг.

Полезная модель относится к области полупроводниковой лазерной техники и может применяться для концентрации энергии излучения линеек лазерных диодов при использовании в системах лазерной обработки материалов.

Известно устройство, синхронизирующее излучение инжекционных полупроводниковых лазеров, составляющих линейку лазерных диодов, которая расположена в передней фокальной плоскости микролинзы. В задней фокальной плоскости микролинзы по ходу излучения расположено плоское внешнее зеркало, перед которым установлен фильтр пространственных частот (см. J.Yaeli, W.Streifer, D.R.Scifres et al., Appl. Phys. Lett. 47 (2), 1985. p.p.89-91). Благодаря дифракционному обмену излучением между элементами устанавливается синхронизированный режим работы лазерных диодов. Однако, использование в данном устройстве маломощных одномодовых лазерных диодов не позволяет получить высокую среднюю мощность в сфазированном режиме. Пространственная фильтрация также снижает эффективность резонатора.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели и принятой за прототип является устройство, синхронизирующее излучение линейки инжекционных полупроводниковых лазеров с просветляющим покрытием внешнего торца и высокоотражающим покрытием заднего глухого торца, оптические оси которых параллельны и лежат в одной плоскости (см. патент

США №4813762, опубл. 21.031989). В данном устройстве излучение линейки лазерных диодов коллимируется набором микролинз Френеля, а на определенном расстоянии от них расположено плоское внешнее зеркало, образующее с высокоотражающим покрытием глухого торца линейки внешний резонатор. Указанное расстояние выбрано с учетом эффекта Тальбо, заключающегося в самовоспроизведении оптического поля периодической структуры по ходу распространения когерентного излучения, что сопутствует минимизации потерь и улучшению селективных свойств резонатора. Недостатком прототипа является необходимость применения маломощных одномодовых в поперечном направлении излучателей и ограничение возможности использования мощных излучателей. Кроме этого микролинзы Френеля с несколькими фазовыми уровнями достаточно сложны и дороги.

Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение пространственной концентрации излучения в сфазированом режиме.

Поставленная задача решается благодаря достижению технического результата, который заключается в применении конструкции, позволяющей использовать широкоапертурные многомодовые лазерные диоды в сфазированном режиме излучения с достижением дифракционного предела его расходимости.

Данный технический результат при реализации предлагаемой полезной модели достигается тем, что в линейке лазерных диодов, состоящей из лазерных диодов, оптические оси которых параллельны и лежат в одной плоскости, с

просветляющим покрытием внешнего торца и высокоотражающим покрытием заднего глухого торца, коллимирующей линзы и плоского внешнего зеркала, образующего совместно с высокоотражающим покрытием заднего глухого торца внешний резонатор, дополнительно установлена фокусирующая линза с фокусным расстоянием F, расположенная за плоским внешним зеркалом на расстоянии Z от коллимирующей линзы, одновременно удовлетворяющем условиям Z>Sd/2 и Z>F, где S - ширина полоска лазерного диода, d - период следования лазерных диодов в линейке, - длина волны излучения, в качестве коллимирующей линзы используется цилиндрическая микролинза с функцией коллимации излучения в плоскости перпендикулярной плоскости расположения р-n переходов лазерных диодов, а в качестве этих диодов используются широкоапертурные многомодовые в поперечном направлении лазерные диоды, причем длина внешнего резонатора L удовлетворяет условию LS²/4.

Таким образом, режим работы лазерных диодов в заявляемой полезной модели переведен из собственного многомодового в одномодовый в поперечном направлении во внешнем резонаторе. Данный режим работы наступает при выполнении заявляемого соотношения между длиной внешнего резонатора L, длиной волны излучения , и шириной полоска лазерного диода S, а именно: LS²/4 (см., например. Физический энциклопедический словарь, М. «Советская энциклопедия», 1983, стр. 499; или П.Г.Елисеев «Введение в физику инжекционных лазеров», М. Наука 1983). Переведенные в одномодовый режим лазерные диоды синхронизируются за счет дифракционного обмена излучением во внешнем резонаторе, а селекция высших поперечных мод резонатора

позволяет достигнуть дифракционного предела расходимости излучения высокой мощности. При когерентном сложении полей от периодического набора излучателей, имеющих гауссовское распределение интенсивности в поперечном направлении, распределение интенсивности излучения в фокальной плоскости фокусирующей линзы может состоять из одного пика при произвольном соотношении размеров ширины полоска лазерного диода и периода следования лазерных диодов в линейке. Такой характер поперечного распределения обеспечивается при выполнении заявляемых условий расположения указанной фокусирующей линзы относительно плоскости перетяжки пучков излучения, генерируемых отдельными лазерными диодами. Кроме этого, для обеспечения работоспособности заявляемого устройства длина внешнего резонатора должна быть не больше расстояния, определяемого уровнем максимально возможных дифракционных потерь, при котором не наступает срыв генерации во внешнем резонаторе с одновременным обеспечением дифракционного обмена излучением между лазерными диодами за счет отражения излучения от плоского внешнего зеркала и установления сфазированного режима работы линейки во внешнем резонаторе.

Для анализа углового распределения излучения периодической структуры идентичных излучающих лазерных диодов в сфазированном режиме работы линейки можно использовать основы скалярной теории дифракции излучения, принимая аналогию амплитудной дифракционной решетки. Тогда в фокальной плоскости фокусирующей линзы излучение будет имеет центральный пик, ширина которого W определяется по формуле: W=F/d. В свою очередь из

теории гауссовых пучков следует, что в фокальной плоскости линзы, фокусное расстояние которой много меньше релеевской длины фокусируемого пучка, размер пучка можно найти из соотношения W1=FS/2Z, если расстояние Z от перетяжки фокусируемого пучка до линзы также значительно превышает значение релеевской длины. Из приведенных соотношений естественным образом вытекают условия формирования поперечного распределения интенсивности излучения в фокальной плоскости фокусирующей линзы в виде одного пика: W1<W, т.е. Z>Sd/2.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1. изображена схема заявляемого устройства. Оно состоит из широкоапертурных многомодовых лазерных диодов 1, которые в совокупности с просветляющим покрытием внешнего торца 2 и высокоотражающим покрытием заднего глухого торца 3 образуют линейку 4. Цилиндрическая микролинза 5 расположена на своем фокусном расстоянии от просветляющего покрытия внешнего торца 2, на расстоянии L от высокоотражающего покрытия 3 установлено плоское внешнее зеркало 6, а на расстоянии Z от цилиндрической микролинзы 5 за плоским внешним зеркалом установлена фокусирующая линза 7.

На фиг.2 приведено угловое распределение интенсивности излучения в фокальной плоскости фокусирующей линзы 7, полученное от синхронизированной линейки четырех широкоапертурных лазерных диодов, т.е. дифракционный пичок излучения синфазной поперечной моды заявляемого устройства.

Линейка лазерных диодов работает следующим образом. Излучение лазерных диодов 1 линейки 4 расходится вследствие дифракции на выходной апертуре. Цилиндрическая микролинза 5 обеспечивает коллимацию этого излучения в плоскости перпендикулярной плоскости расположения лазерных диодов 1, что предотвращает большие дифракционные потери в указанной перпендикулярной р-n-переходу плоскости. Просветляющее покрытие внешнего торца 2 нанесено для предотвращения развития генерации на торцах лазерных диодов 1. Пройдя цилиндрическую микролинзу 5, излучение распространяется до плоского внешнего зеркала 6, образующего совместно с высокоотражающим покрытием заднего глухого торца 3 внешний резонатор. Благодаря дифракционному обмену излучением в плоскости р-n-перехода во внешнем резонаторе при отражении от плоского внешнего зеркала 6 и возвращению на линейку 4 лазерных диодов 1 происходит синхронизация их излучения с дифракционным пределом расходимости излучения, соответствующим синтезированной аппретуре D=NS (где N- число излучателей), с более высокой мощностью по сравнению с прототипом. Пространственная концентрация всей энергии излучения всех лазерных диодов в один пик достигается в фокальной плоскости фокусирующей линзы 7 при одновременном выполнении условий Z>Sd/2 и Z>F, где S - ширина полоска лазерного диода, d - период следования лазерных диодов в линейке, - длина волны излучения, F - фокусное расстояние фокусирующей линзы 7.

В примере наилучшей реализации заявляемого устройства экспериментально продемонстрирована синхронизация четырех

широкоапертурных (S=120 мкм) лазерных диодов 1, расположенных с периодом следования d=200 мкм и излучающих на длине волны =0.8 мкм. Цилиндрическая микролинза 5 в данном устройстве расположена на фокусном расстоянии от внешнего просветленного торца 2 диодной линейки 4, равном 500 мкм. Плоское внешнее зеркало 6 установлено на расстоянии 1 см от цилиндрической микролинзы 5 так, что выполняется условие превышения длины резонатора над величиной отношения квадрата ширины полоска лазерного диода 1 к учетверенной длине волны излучения (S² /4=0.45 см) и обеспечения, тем самым, одномодовости излучения. На фиг.2 представлено угловое распределение интенсивности излучения в фокальной плоскости фокусирующей линзы 7 с фокусным расстоянием F=4 см, расположенной на расстоянии Z=16 см от цилиндрической микролинзы 5 (т.е. Z>F и Z>Sd/2), полученное от четырех сфазированных широкоапертурных лазерных диодов, с шириной главного максимума 1.2 мрад, что подтверждает получение технического результата в заявляемой полезной модели, а именно повышение концентрации энергии излучения лазерной диодной линейки по сравнению с прототипом.

Таким образом, использование широкоапертурных многомодовых лазерных диодов повышает мощность излучения в сфазированном режиме, за счет подбора размеров ширины полоска лазерных диодов и длины внешнего резонатора и использования цилиндрической микролинзы получен одномодовый в поперечном направлении режим генерации излучения единичного лазерного диода, необходимый для минимизации расходимости, повышения яркости

излучения, а применение дополнительной фокусирующей линзы, расположенной в устройстве заявляемым образом, обеспечивает возможность повышения пространственной концентрации энергии излучения в фокальной плоскости указанной фокусирующей линзы.

Линейка лазерных диодов, состоящая из лазерных диодов, оптические оси которых параллельны и лежат в одной плоскости, с просветляющим покрытием внешнего торца и высокоотражающим покрытием заднего глухого торца, коллимирующей линзы и плоского внешнего зеркала, образующего совместно с высокоотражающим покрытием заднего глухого торца внешний резонатор, отличающаяся тем, что линейка дополнительно содержит фокусирующую линзу с фокусным расстоянием F, расположенную за плоским внешним зеркалом на расстоянии Z от коллимирующей линзы, одновременно удовлетворяющем условиям Z>Sd/2 и Z>>F, где S - ширина полоска лазерного диода, d - период следования лазерных диодов в линейке, - длина волны излучения, в качестве коллимирующей линзы используется цилиндрическая микролинза с функцией коллимации излучения в плоскости перпендикулярной плоскости расположения р-n переходов лазерных диодов, а в качестве этих диодов используются широкоапертурные многомодовые в поперечном направлении лазерные диоды, причем длина внешнего резонатора L удовлетворяет условию LS²/4.