способ отбора активных элементов для излучателя инжекционного лазера

Формула изобретения

Способ отбора активных элементов для излучателя инжекционного лазера, содержащий операцию измерения тока накачки при фиксированном значении оптической мощности, излучаемой в заданном телесном угле, отличающийся тем, что перед измерением тока накачки дополнительно выполняют последовательно следующие операции: выбирают количество активных элементов n_И равным n₃ из выражения n₀n ₃=К·С, (1), где

n₀ равно максимальному из n₁ и n₂;

n₂=P_T·P_g ^-1 , (3);

К - целое натуральное число, выбирают из интервала 1Кa, (4);

С - целое натуральное число, выбирают из интервала 1Cb, (5);

a=I_Иmax·I_max ^-1 ,

I_Иmax - максимально допустимый ток накачки излучателя, А;

I_max - максимально допустимый ток накачки активного элемента, А;

U_Иmax - максимально допустимое падение напряжения на излучателе, В;

- типовое значение падения напряжения на активном элементе, В;

n₁, n₂ - число активных элементов, округляют до целого числа в большую сторону;

- типовая расходимость излучения активного элемента в плоскости, параллельной р-n-переходам по уровню 0,5, град.;

_И- расходимость излучения излучателя по заданному уровню силы излучения, град.;

Р_T - минимальная оптическая мощность излучателя в телесном угле с расходимостью _И, обеспечивающая нормированные в пределах _И значения силы излучения, Вт;

P_g - максимально допустимая мощность излучения активного элемента в телесном угле с расходимостью _И, Вт, и определяют угол разворота активных элементов относительно друг друга в плоскости, перпендикулярной оси излучателя, =180·n _И ^-1 градусов (6), затем при токе накачки, соответствующем Р_g для активного элемента с типовыми значениями расходимостей излучения в характерных плоскостях и , измеряют силу излучения j активного элемента в нормируемых направлениях относительно оси излучателя по кругу для ряда углов =0, , 2,..., (n-1), (7), относительно направления, перпендикулярного р-n-переходу в плоскости излучающего зеркала активного элемента, где - типовая расходимость излучения активного элемента в плоскости, перпендикулярной р-n-переходу по уровню 0,5 градусов, после этого определяют сумму А сил излучения активного элемента по всем углам по кругу для каждого нормируемого направления ,

A =j₀ +j +j₂ +...+j_(n-1) , Вт/ст, (8),

а затем определяют отношение l требуемого нормируемого значения силы излучения А_T , Вт/ст, излучателя к полученной сумме А для каждого нормируемого направления , и, если это отношение больше единицы l=А_T ·А ^-1> 1, (9), увеличивают число активных элементов n_И в излучателе до n₄ пропорционально максимальному значению l_m из указанных отношений, n₄=l_m ·n₃, (10), и снова повторяют операции отбора активных элементов для излучателя, начиная с определения угла разворота по выражению (6) для числа активных элементов n₄ до выполнения выражения (9), затем по результатам последних измерений определяют долю m₀ силы излучения активного элемента j₀ в каждом нормируемом направлении , перпендикулярном р-n-переходу активного элемента (где =0°), относительно измеренной суммарной А , m₀ =j₀ ·A ^-1, (11), и определяют номинальное значение силы излучения активного элемента j_0H в направлении, перпендикулярном p-n-переходу для всех нормируемых для излучателя направлений j_0H =m₀ ·A_T , Вт/ст, (12), после чего устанавливают ток накачки активного элемента с типовыми значениями расходимости излучения в характерных плоскостях и . таким, чтобы сила излучения j₀ в направлении, перпендикулярном излучающему зеркалу (=0°) активного элемента, равнялась номинальному значению j_0H , определенному по выражению (12) при =0°, измеряют мощность Р_min(Вт), излучаемую активным элементом в телесном угле с расходимостью _И, и выбирают фиксированное значение мощности Р _Н, излучаемой активным элементом в телесном угле с расходимостью _И из выражения Р_minР _HP _g (13), а после измерения тока накачки J_H при фиксированном значении оптической мощности Р_H , излучаемой в заданном телесном угле, дополнительно выполняют следующие операции: измеряют силу излучения j_0i в направлении =0°, перпендикулярном излучающему зеркалу активного элемента, и падение напряжения U_i на активном элементе при выбранном значении мощности Р_H и нормированной температуре окружающей среды для всего имеющегося множества i активных элементов, выпускаемых по единой технологии, после этого отбирают для излучателя n _И активных элементов и делят их на К групп по С штук в каждой так, чтобы их параметры удовлетворяли трем выражениям:

U_ИmaxU _K=U₁+U₂+...+U_c=const, B (16),

заменяя при необходимости активные элементы, где К, С - выбранные ранее числа из выражений (I), (4) и (5), соответственно;

I_H - ток накачки каждого из отобранных активных элементов, А;

А_0T=А_T - требуемое нормированное значение силы излучения излучателя по его оси, где =0°;

U_k- сумма падений напряжений на С активных элементах каждой

группы К,

и повторяют отбор n _И активных элементов, параметры которых удовлетворяют выражениям (14), (15), (16), для других излучателей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при отборе активных элементов (лазерных диодов - ЛД или блоков ЛД) для излучателя лазерного полупроводникового инжекционного с диаграммой направленности излучения, близкой к круглосимметричной (см. патент РФ № 2187183, МКИ⁷: Н 01 S 5/00, 5/32, опубл. 10.08.2002 г.), и с нормированной во всех направлениях, симметричных относительно оси, силой излучения, что бывает необходимо ввиду разброса электрооптических параметров активных элементов и неопределенности в соотношении их с требуемыми характеристиками излучателя.

В соответствии с патентом РФ №2187183, МКИ ⁷: Н 01 S 5/00, 5/32, опубл. 10.08.2002 г. излучатель содержит в герметичной оболочке, состоящей из корпуса с выводами и крышки со стеклом, решетку лазерных диодов, установленных на плоскости корпуса, перпендикулярной оси излучателя, из n одинаковых блоков лазерных диодов, последовательно развернутых друг относительно друга в указанной плоскости на угол .

Заявленное изобретение определяет операции отбора активных элементов для излучателя, выполнение которых необходимо для обеспечения требуемых пространственно-энергетических характеристик излучения излучателя с круглосимметричной диаграммой излучения и заданных режимов накачки.

Известен способ отбора лазерных диодов ЛД-15, от 3.368.030 ТУ, содержащий операции измерения средней мощности Р_и.ср. импульса лазерного излучения при фиксированном значении тока накачки I_н.и., при этом для использования в излучателях отбирают диоды с Р_и.ср. 5 Вт (см. листы 2, 5, 6 от 3.368.030 ТУ, ЛД-15).

Основной недостаток этого способа: при фиксированном значении I_н.и. для всех ЛД значения Р_и.ср. имеют большой разброс, что приводит к разбросу их сил излучения j в дальних полях, недопустимому для создания излучателей с круглосимметричной диаграммой излучения и требуемыми значениями.

Известен способ отбора ЛД для излучателей ИЛПИ-107 А, ИИПИ-107Б, ЯДГК.433.751.012 ТУ, содержащий операции измерения тока накачки I_н.и. при фиксированном значении излучаемой средней мощности Р_и.ср. импульсов (см. листы 5, 57, 58 ЯДГК.433.751.012 ТУ, ИЛПИ-107 А, ИИПИ-107Б).

Недостаток способа: большой разброс I_н.и. ЛД с учетом того, что их сопротивления тоже различны, не позволяет использовать ЛД в оптимальных режимах при последовательном или параллельном включении их в излучателе и нормировать значения j в пределах требуемого телесного угла как суперпозицию полей излучения всех используемых активных элементов в излучателе с круглосимметричной диаграммой излучения.

Наиболее близким аналогом - прототипом к заявляемому способу является способ отбора активных элементов для излучателя ИЛВИ-109, ОДО.397.110 ТУ, содержащий операции измерения тока накачки I_н.и., обеспечивающего фиксированное значение оптической мощности P_и.max, излучаемой в заданном телесном угле. Для использования в излучателях отбирают блоки ЛД, излучающие 300 Вт в импульсе при токе накачки I_н.и. от 102 до 196 А в заданном телесном угле (см. листы 1, 3, 25, ОДО.397.110 ТУ, ИЛПИ-109).

Основной недостаток способа: при фиксированном значении Р_и.max для всех ЛД значения тока I_н.и. имеют большой разброс, что наряду с разбросом их сопротивлений не позволяет использовать ЛД в оптимальных режимах при последовательном или параллельном включении их в излучателе и нормировать значения j в пределах требуемого телесного угла как суперпозицию полей излучения всех используемых активных элементов в излучателе с круглосимметричной диаграммой излучения.

Сущность изобретения в следующем. Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке способа отбора активных элементов для излучателя лазерного полупроводникового инжекционного с диаграммой направленности, близкой к круглосимметричной, и с требуемой нормированной во всех направлениях, симметричных относительно оси, силой излучения. Этот способ отбора должен определять конкретное число активных элементов, систему их параметров и требований к ним, необходимых для изготовления излучателя с требуемыми входными и излучательными характеристиками.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе отбора активных элементов для излучателя инжекционного лазера, содержащем операции измерения тока накачка при фиксированном значении оптической мощности, излучаемой в заданном телесном угле, перед измерением тока накачки дополнительно последовательно выполняют следующие операций: выбирают количество активных элементов излучателя n_и равным n₃ из выражения

, где

n₀ равно максимальному из n₁ и n₂;

K - целое натуральное число, выбирают из интервала ;

С - целое натуральное число, выбирают из интервала ;

a=I_иmax·I^-1 _max , b=U_иmax· ;

I_иmax - максимально допустимый ток накачки излучателя, А;

I_max - максимально допустимый ток накачки активного элемента, А;

U_иmax - максимально допустимое падение напряжения на излучателе, В;

- типовое значение падения напряжения на активном элементе, В;

n₁, n₂ - число активных элементов, округляют до целого числа в большую сторону;

₁₁ - типовая расходимость излучения активного элемента в плоскости, параллельной p-n переходам по уровню 0,5, градусов;

_и - расходимость излучения излучателя по заданному уровню силы излучения, градусов;

Р_т - минимальная оптическая мощность излучателя в телесном угле с расходимостью _и, обеспечивающая нормированные в пределах _и значения силы излучения, Вт;

Р_g - максимально допустимая мощность излучения активного элемента в телесном угле с расходимостью _и, Вт;

и определяют угол разворота активных элементов друг относительно друга в плоскости, перпендикулярной оси излучателя, =180·n _и ^-1, градусов, (6), затем при токе накачки, соответствующем Р_g для активного элемента с типовыми значениями раоходимостей излучения в характерных плоскостях ₁₁ и , измеряют силу излучения j активного элемента в нормируемых направлениях относительно оси излучателя по кругу для ряда углов =0, , 2,..., (n-1), градусов, (7), относительно направления, перпендикулярного p-n переходу в плоскости излучающего зеркала активного элемента, где - типовая расходимость излучения активного элемента в плоскости, перпендикулярной р-n пароходу по уровню 0,5, градусов, после этого определяют сумму А сил излучения активного элемента по воем углам по кругу для каждого нормируемого направления ,

A =j₀ +j +j₂ +...+j_(n-1) , Вт/ст, (8),

а затем определяют отношение l требуемого нормированного значения силы излучения А_т , Вт/ст излучателя к полученной сумме А для каждого нормируемого направления , и, если это отношение больше единицы l=A_т ·A^-1 >1 (9), увеличивают число активных элементов n_и в излучателе до n₄ пропорционально максимальному значению l_m из указанных отношений, n₄=l _m·n₃, (10), и снова повторяют операции отбора активных элементов для излучателя, начиная с определения угла разворота по выражению (6) для числа активных элементов n₄ до выполнения выражения (9), затем по результатам последних измерений определяют долю m₀ силы излучения активного элемента j₀ в каждом нормируемом направлении , перпендикулярном р-n переходу активного элемента (где =0°), относительно измеренной суммарной А , m₀ =j₀ ·A^-1 , (11), и определяют номинальное значение силы излучения активного элемента j_он в направления, перпендикулярном р-n переходу для всех нормируемых для излучателя направлений , j_OH =m₀ ·A_т , Вт/ст, (12), после чего устанавливают ток накачки активного элемента с типовыми значениями расходимости излучения в характерных плоскостях ₁₁ и таким, чтобы сила излучения j₀ в направлении, перпендикулярном излучающему зеркалу (=0°) активного элемента, равнялась номинальному значению j_ОН , определенному по выражению (12) при =0°, измеряют мощность Р_min (Вт), излучаемую активным элементом в телесном угле c расходимостью _и, и выбирают фиксированное значение мощности Р _н, излучаемой активным элементом в телесном угле с расходимостью _и, из выражения P_minP _HP _g (13), а после измерения тока накачки I_H при фиксированном значении оптической мощности Р_H , излучаемой в заданном телесном угле, дополнительно выполняют следующие операции: измеряют силу излучения j_oi в направлении =0°, перпендикулярном излучающему зеркалу активного элемента, и падение напряжения U_i на активном элементе при выбранном значении мощности Р_Н и нормированной температуре сдружающей среды для всего имеющегося множества i активных элементов, выпускаемых по единой технологии, после этого отбирают для излучателя n _и активных элементов и делят их на К групп по С штук в каждой группе так, чтобы их параметры удовлетворяли трем выражениям:

заменяя при необходимости активные элементы, где

К, С - выбранный ранее числа из выражений (1), (4), (5) соответственно;

I_и - ток накачки каждого из отобранных активных элементов, А;

А_от=А_т - требуемое нормированное значение силы излучения излучателя по его оси (где =0°);

U_к - сумма падений напряжений на С активных элементах каждой группы К,

и повторяют отбор по n_и активных элементов, параметры которых удовлетворяют выражениям (14), (15), (16), для других излучателей.

Выбор минимального числа активных элементов n₀ равным n₁, значение которого определено выражением (2), и угла разворота их друг относительно друга на угол , значение которого определено выражением (6), обеспечивает формирование круглосимметричной диаграммы направленности излучения (см. описание к указанному патенту РФ №2187183) с минимальными для данного типа активных элементов значениями нормированных снизу (но менее) сил излучения в пределах заданного телесного угла.

Выбор минимального числа активных элементов для излучателя равным n ₂, значение которого определено выражением (3), позволяет получить ту минимально возможную мощность излучения излучателя, при которой уже обеспечиваются требуемые силы излучения во всех нормируемых направлениях. В излучателе отобранные n_и активные элементы используют в виде К параллельно включенных звеньев (групп) по С штук последовательно в каждом звене (группе). Ограничение К и С сверху значениями а и b, соответственно, гарантирует, что падение напряжения и ток накачки излучателя не превысит требуемого значения даже при максимальных рабочих токах активных элементов.

Измерение сил излучения j в нормируемых направлениях для ряда углов , заданных выражением (7), по кругу позволяет определить сумму А сил излучения активного элемента для каждого нормируемого направления по выражению (8). Полученные значения А равны силам излучения излучателя в нормируемых для него направлениях за счет сложения полей от всех n_и активных элементов в указанных направлениях. Если полученные значения А сил излучения излучателя, содержащего n_и активных элементов, развернутых друг относительно друга на угол , в направлениях меньше требуемых нормируемых А_т (см. выражение (9), то число активных элементов, отбираемых для излучателя, увеличивают до n₄ в соответствии с выражением (10), что обеспечивает получение значений сил излучения излучателя не менее требуемых нормированных во всех заданных относительно оси направлениях.

Выражение (11) определяет для каждого направления долю m₀ силы излучения j₀ одного активного элемента в направлении, где =0°, относительно измеренной суммарной А , т.е. относительно силы излучения излучателя в том же направления , а с учетом полученной доли по выражению (12) определяют номинальные значения сил излучения активного элемента j_OH в направлениях, перпендикулярных p-n переходу для всех нормируемых для излучателя направлений , обеспечивающие требуемые нормированные значения сил излучения излучателя А_т с круглосимметричной диаграммой направленности.

Полученные значения j_OH используют для измерения минимальной мощности Р_min , излучаемой каждым из n_и активных элементов в угле с расходимостью _и, при которой излучатель, состоящий из n_и активных элементов, обеспечивает требуемые силы излучения А _т в телесном угле с расходимостью _и. Нижнюю допустимую границу мощности Р_min ограничивают значением, ниже которого диаграмма направленности излучения активного элемента может существенно измениться за счет процесса установления модового режима генераций в надпороговом режиме накачки по всей области ближнего поля тела свечения. Эту границу устанавливают индивидуально для каждого типа активных элементов.

Выбор номинального значения мощности Р_н между минимальной P_min и допустимой Р_g для активного элемента в соответствии с выражением (13) обусловлен требуемыми технологическими запасами при производстве излучателей и наработкой излучателя.

Выбранное номинальное значение мощности Р_н принимают равным фиксированному для данного типа активных элементов, при котором выполняют операции измерения тока накачки и последующие дополнительные операции в соответствии с сущностью изобретения и формулой изобретения.

Допустимые отклонения от равенства токов накачки в выражении (14) и падений напряжения U_к на звеньях (группах) в выражении (13) определяют при необходимости для каждого типа активных элементов в зависимости от способов нормирования параметров излучателя и заложенных технологических запасов.

Нижнее и верхнее значения сил излучения активных элементов в выражении (15) устанавливают для каждого типа излучателей в зависимости от допустимых отклонений угловых излучательных характеристик активных элементов от типовых.

Допустимое падение напряжения на активном элементе ограничено снизу шириной запрещенной зоны p-n перехода (или их суммы в блоке ЛД), а сверху - суммой ширины запрещенной зоны и допустимых вносимых потерь.

По совокупности решаемых задач сущность предлагаемого способа отбора активных элементов для излучателя о нормированными сверху (не более) значениями тока накачки и падения напряжения заключается в определении конкретного числа n_и активных элементов, необходимого для изготовления излучателя с нормированной круглосимметричной диаграммой направленности и требуемыми значениями силы излучения в заданном телесном угле, оценке требований и норм к пространственно-энергетическим характеристикам используемых активных элементов, измерении установленной системы параметров и отборе необходимого числа n_и активных элементов по установленным требованиям и нормам, а технический результат реализации способа проявляется при изготовлении излучателя с использованием активных элементов, отобранных по предлагаемому способу.

Нижнее и верхнее значения сил излучения в выражении (15) устанавливают для каждого типа излучателей величинами, обратно пропорциональными произведению относительных максимальных или минимальных значений расходимостей в характерных плоскостях (относительно и ₁₁, соответственно) активных элементов, соответственно, а также требуемыми технологическими запасами в производстве излучателей.

Пример конкретного исполнения.

Отбор активных элементов до заявляемому способу был реализован для излучателя с заданными электрооптическими параметрами. Требуемые параметры излучателя: сила излучения А_т 5,4; 2,2; 0,4; 0,1 кВт/ст в направлениях =0, 10, 20, 30 градусов от оси, соответственно (при этом Р_т =740 Вт в телесном угле с расходимостью 60°), ток накачки I_н 100 А, падение напряжения U_и300 В.

Активный элемент - блок лазерных диодов с параметрами: типовые значения расходимости излучения в характерных плоскостях _т=30°, ₁₁=12°, максимально допустимая оптическая мощность Р_g=140 Вт при токе накачки I_н40 А, типовое значение падения напряжения =56 В, разброс расходимостей активных элементов =±5° и ₁₁=±3° или 1±0,17 и 1±0,25 в относительных единицах, соответственно.

В соответствии с формулой изобретения определили: n₁=8,7=9, (2), n₂=5,3=6, (3), n₀=9, a=2,5, К=2, (4), b=5,4, с=5, (5), 9n ₃2·5=10, (1), n_и=n₃=10, =18°, (6), для активного элемента с типовыми значениями и ₁₁ измерили силы излучения j в направлениях =0, 10, 20, 30 градусов и получали j₀ =0,93, 0,66, 0,28, 0,08 кВт/ст, определили суммы сил излучения А , (8) (т.е. сил излучения излучателя в направлениях ) А =9,3, 3,3, 0,81, 0,19 кВт/ст, определили m₀ =0,1, 0,2, 0,35, 0,42, (11) и номинальные значения силы излучения активного элемента j_OH =0,54, 0,44, 0,14, 0,042 кВт/ст, (12), для каждого направления соответственно.

Установили ток накачки активного элемента таким, чтобы сала его излучения j₀ в направлении =0° была равна j_OH =0,54 кВт/ст, измерили оптическую мощность Р_min =81 Вт в телесном угле с расходимостью 60°, и выбрали фиксированное значение оптической мощности Р_н для активного элемента из выражения (13) Р_minP _нP _g. Конкретное значение Р_н выбрала с учетом потерь на отражение от выходного стекла (˜8%), двойной погрешности измерения импульсной мощности излучения (˜30%) и технологического запаса (˜10%), т.е. Р_н=Р_min·1,08·1,3·1,1=125 Вт.

Нижнюю границу мощности Р_min, выше которой расходимость излучения стабилизируется, для данного типа активных элементов определили значением 75 Вт.

При фиксированном значений оптической мощности Р_н=125 Вт измеряли ток накачки I_нi, силу излучения j_oi и падение напряжения u_i на активном элементе для множества i активных элементов при нормированной температуре окружающей среды 23±6°С.

Отбирали для каждого излучателя по 10 активных элементов и разбивали их на 2 группы по 5 штук в каждой так, чтобы параметры каждых 10 отобранных активных элементов удовлетворяли выражениям (14), (15), (16).

Для более полного использования всего множества активных элементов при отборе по выражению (14) допускали отклонения от равенства токов накачки с максимальной разностью токов до 5% от максимального значения, при этом из партии в 100 активных элементов отбирали до 90 штук для 9 излучателей по 10 штук.

Нижнее значение j_oi при отборе активных элементов по выражению (18) установили равным 0,3 кВт/ст (определяли с учетом номинального значения силы излучения j_о=j_OH =0,54 кВт/ст и максимальных относительных значений расходимостей 1,17 и 1,25 относительно типовых в характерных плоскостях, j _oimin=0,54:(1,17·1,25)=0,37), а верхнее значение j _oi-1,4 кВт/ст (определяли c учетом силы излучения активного элемента при излучаемой мощности Р_H=125 Вт и минимальных относительных значений расходимостей 0,83 и 0,75 относительно типовых в характерных плоскостях, j_oimax =0,93:140·125:(0,83·0,75)=1,33 кВт/ст ).

Блоки лазерных диодов состояли из двадцати последовательно включенных кристаллов лазерных диодов с суммарной шириной запрещенной зоны 28 В (длина волны излучения 0,89 мкм) и, с учетом вносимых в них потерь в процессе изготовления, при отборе по выражению (16) установили U_imin=40 В, U_imax=84 В.

Параметры партии излучателей, изготовленных с использованием активных элементов, отобранных по заявленному способу, полностью соответствовали требуемым: диаграмма направленности близка к круглосимметричной, угловое распределение сил излучения соответствует требуемому, входные параметры накачки не превышают заданных.

Дополнительно требования и нормы к пространственным характеристикам активных элементов, полученные по данному способу, использовали для корректировки технологического цикла их изготовления.

При отборе активных элементов по данному способу число конструкторско-технологических проб по изготовлению излучателей с заданными параметрами сокращается до одного, при этом как активные элементы, так и излучатели используются в оптимальных электрооптических режимах.

Таким образом, заявляемый способ отбора активных элементов для излучателя инжекционного лазера обеспечивает возможность определения конкретного числа активных элементов, системы их параметров и требований к ним, необходимых для изготовления излучателя с заданными входными и излучательными характеристиками.