Линейка лазерных диодов
Полезная модель предназначена для улучшения диаграммы направленности 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.
1 н.п.ф., 2 фиг.
Полезная модель относится к области полупроводниковой лазерной техники и может применяться для улучшения диаграммы направленности излучения линеек лазерных диодов при использовании в системах волоконно-оптической связи, обработки материалов, мониторинге окружающей среды, медицине.
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 яркости излучения в сфазированом режиме и упрощение конструкции.
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, 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:
,
где S - ширина полоска лазерного диода, 
- длина волны излучения.
Таким образом, режим работы лазерных диодов в заявляемой полезной модели, переведен из собственного многомодового в одномодовый в поперечном направлении во внешнем резонаторе. Такой 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. 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.
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, а на расстоянии L от высокоотражающего покрытия 3 установлено плоское внешнее зеркало 6.
На фиг.2 приведено распределение интенсивности в дальней зоне, полученное от синхронизированной линейки четырех широкоапертурных лазерных диодов, где 7 - теоретическая кривая, огибающая дифракционные пички, соответствующая гауссовскому распределению интенсивности излучения единичного лазерного диода; 8 - дифракционный пичок излучения синфазной поперечной моды заявляемого устройства.
Устройство 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.
В примере наилучшей реализации заявляемого устройства экспериментально продемонстрирована синхронизация четырех широкоапертурных (S=120 мкм) лазерных диодов 1, 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 распределение интенсивности излучения в дальней зоне, 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 уменьшение расходимости излучения лазерной диодной линейки по сравнению с расходимостью одиночного лазерного диода и, соответственно, повышение яркости излучения.
Таким образом, использование широкоапертурных многомодовых лазерных диодов повышает мощность излучения в сфазированном режиме, а 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 и повышения яркости 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 в качестве коллимирующей линзы используется цилиндрическая микролинза с функцией коллимации излучения в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения p-n переходов лазерных диодов, а в качестве этих диодов используются широкоапертурные многомодовые в поперечном направлении лазерные диоды, причем длина внешнего резонатора L удовлетворяет условию:
,
где S - ширина полоска лазерного диода, - длина волны излучения.
