Система коррекции и коллимации пучка излучения полупроводникового лазера

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 27/30, 27/4 КОМИТЕТИ ОТКРЫТИЯМ ГОСУДАРСТВЕН ЬПО ИЗОБРЕТЕНИПРИ ГКНТ СССР ИСАНИ ИЯРЕТ ВТОРСКОМУ С ЛЬСТВУ стема яютс(54) СИСТЕМА ЦИИ ПУЧКА И НИКОВОГО ЛА (57) Изобретен ческогоприбор(71) Киевский научно-исследовательский и конструкторский институт периферийного оборудования(56) Украинский физический журнал, Т.23, 1978, ЬЬ 3, с. 513 - 514.Патент СШАЬЬ 4643538, кл, 350- 421, опублик, 17.02.87. КОРРЕКЦИИ И КОЛЛИМАЗЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДЗЕРАе относится к области оптиостроения и лазерной техниЖ 1640663 А 1 ки и может быть использовано в си х обработки информации, где примен я полупроводниковые лазеры. Цель изобретения - одновременная коррекция формы сечения пучка полупроводникового лазера и его волнового фронта. Устройство содер- . жит полупроводниковый лазер 1, предварительный линзовый коллиматор 2, фазовый статистический транспарант 3 и комплексно сопряженный фильтр 4. Тело свечения полупроводникового лазера 1 совмещено с передней фокальной плоскостьа предварительного коллиматора 2, расстояние между статистическим транспарантом 3 и комплексно сопряженным фильтром 4 удовлетворяет приближению дифракции Фраунгофера. Коррекция формы сечения лазерного пучка достигается тем, что рассеивающие центры статистического транспаранта 3 выполнены вытянутыми в плоскости р - и-перехода полупроводникового лазера 1, причем их размерысвязаны с длиной волны полупроводникового лазера, размерами тела свечения и фокусным расстоянием предварительного коллиматора 2 заданным соотношением. Коррекция волнового фронта коллимируемого пучка достигается использованием комплексно сопряженного фильтра 4 для окончательной коллимации лазерного пучка, Фильтр имеет пропускание, комплексно сопряженное дифракционной картине Фраунгофера, полученной при дифракции лазерного пучка на статистическом транспаранте. В результате устраняются фазовые искажения в волновом фронте коллимируемого пучка, что умешьнает его расходимость вплоть до дифракционной. 1 з.п.ф-лы, 3 ил., 1 табл.(2) 40 45 Изобретение относится к оптическомуприборостроению и лазерной технике ипредназначено для коллимации и коррекции волнового фронта и формы сечения пучка полупроводникового лазера.Цель изобретения - обеспечение коррекции волнового фронта коллимируемогосветового пучка при сохранении коррекцииформы его сечения,На фиг. 1 приведена оптическая схемаустройства; на фиг. 2 - фазовый статистический транспарант с рассеивающимицентрами овальной формы, фрагмент; нафиг. 3 - , схема сечения пучка в плоскостикомплексно сопряженного фильтра, поясняющая механизм коррекции формы сечения пучка,В системе, содержащей последовательно расположенные полупроводниковый лазер 1, предваритеьный линзовый. коллиматор 2, систему.для коррекции формы сечения пучка и окончательный коллиматор, система для коррекции формы пучкавыполнена в виде фазового статистическоготрансформатора 3, рассеивающие центры которого имеют форму и ориентированы таким образом, что их большойразмер коллинеарен плоскости р - и-перехода полупроводникового лазера 1, а окончательный коллиматор выполнен в видекомплексно сопряженного фильтра 4, удаленного от статистического транспарантана расстояние Е, удовлетворяющее приближению дифракции Фраунгофера, Для этогов схеме системы допускается использование дополнительной Фурье-линзы,. расположенной между статистическимтранспарантом и комплексно сопряженнымфильтром, который располагается в заднейфокальной плоскости этой линзы. Таким образом, в плоскости комплексно сопряженного фильтра 4 формируется угловойспектр продифрагировавшего на статистическом транспаранте лазерного пучка,Тело свечения лазера 1 совмещено спередней фокальной плоскостью предварительного коллиматора 2. Размеры рассеива 5 10 15 20 30 35 ющих центров фазового статического транспаранта 3 выбираются из соотношенияд- + - = - + - , (1) Л а Л аиЖ Фс би бсгде би, Ф - размеры рассеивающих центров в направлении, коллинеарном и ортогональном плоскости р - п-перехода, соответственно;аи, а 1 - размеры тела свечения полупроводникового лазера в плоскости р - и-перехода и ортогональной ей плоскости соответственно;Ь - фокусное расстояние предварительного линзового коллиматора 2;Л - длина волны излучения полупроводникового. лазера 1.Система работает следующим образом.Излучение полупроводникового лазера 1, имеющего тело свечения с размером аи в плоскости р - . и-перехода и а в ортогональной ей плоскости (аи а), предварительно коллимируется коллиматором 2, на выходе которого формируется слаборасходящийся (1-3 ) пучок с сечением, вытянутым вдоль направления, ортогонального плоскости р - и-перехода. Этот пучок дифрагирует на фазовом статистическом транспаранте 3, рассеивающие центры которого выполнены, например, овальными с размерами би в плоскости р - и-перехода и б 1 в ортогональной ей плоскости (фиг. 2). Усредненное сечение (огибающая) в дифракционной картине Фраунгофера (плоскость комплексно сопряженного фильтра 4) без учета размеров спекл-неоднородностей определяется соотношениямиОи =ЛЯ/би,О =ЛЯ/бигде Ои,О - размеры сечения дифракционной картины в плоскости р - п-перехода и в ортогональной плоскости соответственно, Учет размеров спекл-неоднородностей приводит к увеличению сечения дифракционной картины на величину, равную диаметру спекл-неоднородностей, при этом, если50 55 5 10 20 25 30 35 40 45 спекл-неоднородности круглые, то форма дифракционной картины не искажается,При дифракции светового пучка с несимметричным сечением, каким обладает . полупроводниковый лазер, дифракционная картина искажается, Это искажение вызва. но изменением формы спекл-неоднородностей, которая соответствует форме тела свечения полупроводникового лазера 1; размеры спекл-неоднородностей ай и а в плоскости р - и-перехода и ортогональной ей плоскости, соответственно, связаны с размерами тела свечения аи и а следующими соотношениями;а й= 2 аи/1 ьа = 2 аЛь (3) С учетом размеров спеха-неоднородностей (3) выражение для сечения дифракционной картины (2) переходит вОи = Л 2/би+ аи = Л 2/би+ 2 аи/Ь, О =Л 2/б+а 1 = Л 2/Ф+2 а/1, (4) . иэ которой следует, что для формирования симметричной формы сечения в дифракционной картине необходимо выполнение условия Ои = Ои которое приводит к соотношению (1).Из выражения (1) следует также возможность формирования пучка с сечением, отличным от круглого, но и отличным от сечения исходного пучка. Например, при необходимости формирования пучка с сечением, удовлетворяющим соотношению Ои/О = р (р - некоторая заданная величина), выражение (1) переходит в более общееу+ - +р - + -Л аи Л а 1% Ь Ф бк (5)Механизм коррекции формы сечения пучка в плоскости комплексно сопряженного фильтра 4 иллюстрируется фиг. 3, Кривая 5 описывает дифракционную картину аксиально-симметричного пучка на фазовом статистическом транспаранте с рассеивающими центрами круглой формы. Кривая б показывает деформацию сечения дифракционной картины при нарушении симметрии. сечения лазерного пучка от астигматического источника и сохранении круглой формы рассеивающих центров. На кривой 7 показано восстановление круглого сечения в дифракционной картине от астигматического пучка при использовании рассеивающих центров овальной формы, размеры которых удовлетворяют условию (1). Из приведенных на фиг. 3 кривых следует, что увеличение расходимости лазерного пучка в одной плоскости за счет астигматизма компенсируется увеличением расходи- мости пучка в ортогональной ей плоскости эа счет увеличения угла дифракции, обусловленного уменьшением размеров рассеивающих центров статистического транспаранта в этой плоскости.Окончательная коллимация лазерного пучка осуществляется с помощью комплексно сопряженного фильтра 4, изготовленного, например, голографическим способом. Комплексно сопряженный фильтр имеет коэффициент пропускания, комплексно сопряженный распределению поля по сечению падающего на него светового пучка. В результате происходит амплитудно-фаэовая коррекция светового пучка, прошедшего через комплексно сопряженный фильтр, которая заключается в устранении фазовых неоднородностей в волновом фронте пучка. Следовательно, на выходе комплексно сопряженного фильтра 4 формируется световой пучок с плоским волновым фронтом и неоднородным распределением интенсивности, связанным с наличием спекл-неоднородностей. Сечение этого пучка определяется формой исходного лазерного пучка и фор-мой рассевающих центров статистического транспоранта 3 согласно выражениям (1) и (5),Угловой спектр скорректированного пучка на выходе комплексно сопряженногофильтра 4 определяется пространственной автокорреляционной функцией статистического транспаранта 3, которая имеет д-видный харак 1 ер,В таблице приведены данные, представляющие собой пример возможной конкретной реализации системы коррекции и коллимации пучка излучения полупроводникового лазера для различных значений размеров тела свечения ап вплоскости р - п-перехода.Предполагается, что размер рассеивающих центров б одинаков, а компенсацияастигматизма достигается варьированиемвеличины би в соответствии с соотношением (1). Значения параметров системы выбраны следующие: Л = 780 нм; Ь = 10 мм;2 = 100 мм; а =, 1 мкм; б = 20 мкм,Рассмотренный пример выполнения фазового статистического транспаранта предназначен для формирования круглых или овальных световых пучков, Использование рассеивающих центров другой формы, например прямоугольной, позволяетформировать пучки соответственно с прямоугольным или квадратным сечением.Ф о р мул а изобретен ия 1. Система коррекции и коллимации пучка излучения полупроводникового лазера, содержащая последовательно расположенные предварительный линзовый1640663 8 фазового статистического транспаранта выбираются из соотношения А а 1 А ад100 150 50 20 ав мкм б мкм 26,8 32,4 40,8 21,0 22,9 20,2 20,5 ЩГ 3 эвчентал Составитель В ехред М.Мор орректор Н. Король Тупи Реда кто Заказ 1016 Тираж 346 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Рэушская наб., 4/5 водственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 коллиматор, систему для коррекции формы сечения пучка и окончательный коллиматор, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что,с целью обеспечения коррекции волнового фронта коллимируемого светового пучка при сохранении коррекции формы его сечения, система для коррекции .формы сечения пучка выполнена в виде фазового статистического транспаранта, рассеивающие центры кото. рого имеют вытянутую форму и ориентированы таким образом, что их больший размер коллинеарен плоскости р - и-перехода полупроводникового лазера, а окончательный коллиматор выполнен в виде комплексно сопряженного фильтра, удаленного от фазового статистического транспаранта на расстояние, удовлетворяющее приближению дифракции фраунгофера,2, Система поп,1,отл ича ющаяся тем,. что размеры рассеивающих центров гдето- длина волны излучения полупроводникового лазера;б и би - размеры рассеивающих цент Ров фазового статистического транспорантав направлении, коллинеарном и ортогональном плоскости р - п-перехода полупроводникового лазера соответственно;ап, а - размеры тела свечения полупро водникового лазера в плоскости р - иперехода и ортогональной ей плоскости соответственно;Ь - фокусное расстояние предварительного линзового коллиматора20