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, а также свойства положительной линзы переносить перетяжку гауссова пучка из передней фокальной плоскости в заднюю фокальную плоскость так, чтобы угловой размер перетяжки был меньше углового направления на первый дифракционный пик.

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. 21.03.1989). 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 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, дополнительно включает последовательно расположенные длиннофокусную фокусирующую линзу с фокусным расстоянием F1, установленную за плоским внешним зеркалом на расстоянии F1 от коллимирующей линзы, удовлетворяющем условию F1>Sd/2, где S - ширина полоска лазерного диода, d - период следования лазерных диодов в линейке, - длина волны излучения, и короткофокусную фокусирующую линзу с фокусным расстоянием F2, удовлетворяющем условию F2<4F1²/S², расположенную на расстоянии F1 от длиннофокусной фокусирующей линзы, причем 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 длиннофокусной фокусирующей линзы излучение будет имеет центральный пик, ширина которого W определяется по формуле: W=F1/d. В свою очередь из теории гауссовых пучков хорошо известно, что перетяжка преобразованного положительной линзой гауссова пучка расположена в задней фокальной плоскости линзы, если перетяжка фокусируемого пучка расположена в передней фокальной плоскости этой линзы. Размер пучка в задней фокальной плоскости линзы W1 при этом можно найти из соотношения W1=2F1/S. Из приведенных соотношений естественным образом вытекает условие формирования поперечного распределения интенсивности излучения в фокальной плоскости фокусирующей линзы в виде одного пика: W1<W, т.е. S/d>2/. Данный результат отражает хорошо известный факт концентрации всей энергии периодического набора излучателей в единственном пике, если коэффициент заполнения апертуры S/d достаточно высокий. Для концентрации энергии линейки мощных широкоапертурных лазерных диодов, у которой из-за тепловых ограничений коэффициент заполнения апертуры не может быть высоким, авторы предлагают использовать дополнительную короткофокусную фокусирующую линзу, установленную в фокальной плоскости длиннофокусной фокусирующей линзы. Тогда перетяжка преобразованного пучка будет расположена в задней фокальной плоскости этой короткофокусной линзы, а условие концентрации всей энергии в центральный пик после преобразования в двух линзах будет определяется выбором фокусного расстояния короткофокусной фокусирующей линзы F2, а именно F2<4F1²/S².

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 F1 от цилиндрической микролинзы 5 за плоским внешним зеркалом установлена длиннофокусная фокусирующая линза 7. В задней фокальной плоскости длиннофокусной фокусирующей линзы 7 расположена короткофокусная фокусирующая линза 8, в задней фокальной плоскости которой формируется центральный пик излучения линейки 4.

На фиг.2 приведено угловое распределение интенсивности излучения в фокальной плоскости короткофокусной фокусирующей линзы 8, 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. Далее излучение распространяется через оптическую систему, состоящую из двух последовательно расположенных фокусирующих линз 7 и 8, причем первая линза 7 выбрана длиннофокусной с фокусным расстоянием F1>Sd/2, где S - ширина полоска лазерного диода, d -период следования лазерных диодов в линейке, - длина волны излучения и установлена за плоским внешним зеркалом 6 на расстоянии F1 от цилиндрической микролинзы 5. Пространственная концентрация всей энергии излучения всех лазерных диодов 1 в один центральный пик достигается в фокальной плоскости короткофокусной фокусирующей линзы 8, установленной на расстоянии F1 от длиннофокусной фокусирующей линзы 7 при выполнении условия F2<4F1²/S².

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. Фокусное расстояние F1 длиннофокусной фокусирующей линзы 7 было выбрано равным 10 см так, что выполнялось условие F1>(Sd/2=15 мм), а фокусное расстояние F2 короткофокусной фокусирующей линзы 8 было выбрано равным 4 см так, что выполнялось условие F2<(4F1²/S²=70 см). На фиг.2 представлена теоретическая кривая 9, соответствующая гауссовскому распределению интенсивности излучения отдельного лазерного диода 1 и угловое распределение интенсивности излучения 10 в фокальной плоскости короткофокусной фокусирующей линзы 8, 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 дополнительных фокусирующих линз, расположенных в устройстве заявляемым образом, обеспечивает возможность повышения пространственной концентрации энергии излучения.

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 включает последовательно расположенные длиннофокусную фокусирующую линзу с фокусным расстоянием F1, установленную за плоским внешним зеркалом на расстоянии F1 от коллимирующей линзы, удовлетворяющем условию F1>Sd/2, где S - ширина полоска лазерного диода, d - период следования лазерных диодов в линейке, - длина волны излучения, и короткофокусную фокусирующую линзу с фокусным расстоянием F2, удовлетворяющем условию F2<<4F1²/S², расположенную на расстоянии F1 от длиннофокусной фокусирующей линзы, причем 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.