способ уменьшения угловой расходимости лазерного излучения и устройство для его осуществления (варианты)

Формула изобретения

1. Способ уменьшения угловой расходимости лазерного излучения, основанный на акустооптическом взаимодействии в анизотропной среде в диапазоне рабочих частот f, отличающийся тем, что вектор поляризации падающего лазерного пучка устанавливают перпендикулярно направлению распространения акустических волн, среднюю частоту f_о рабочего диапазона частот выбирают из условия Q_д/f=0, где Q_д угол дифракции лазерного пучка, f текущее значение частоты акустооптического пучка, а угловую расходимость Q_а акустического пучка, возбужденного на М частотах внутри рабочего диапазона f, выбирают удовлетворяющей условию Q_л/Q_а К, где Q_л угловая расходимость падающего лазерного пучка в анизотропной среде, К 2 100, М (1 2)К.

2. Устройство для уменьшения угловой расходимости лазерного излучения, содержащее последовательно соединенные лазер, формирующую оптическую систему и акустооптическую ячейку, а также блок управления акустооптической ячейкой, выход которого соединен с входом управления акустооптической ячейки, отличающееся тем, что лазер и акустооптическую ячейку, выполненную из анизотропного кристалла, взаимно располагают так, что вектор поляризации лазера параллелен плоскости пьезоэлектрического преобразователя акустооптической ячейки, длина L которого удовлетворяет условию



где v_ак и f_о соответственно скорость и средняя частота акустических волн;

n_о показатель преломления кристалла светозвукопровода для падающего лазерного пучка;

К 2 100 числовой коэффициент;

Q_л угловая расходимость падающего лазерного пучка,

а блок управления акустооптической ячейкой выполнен в виде генератора набора М высокочастотных сигналов, частоты которых равномерно распределены внутри рабочего диапазона f = (0,1-0,5)f_o, причем М (1 2)К.

3. Устройство для уменьшения угловой расходимости лазерного излучения, содержащее последовательно соединенные лазер, формирующую оптическую систему и акустооптическую ячейку, а также блок управления акустооптической ячейкой, выход которого соединен с входом управления акустооптической ячейки, отличающееся тем, что между формирующей оптической системой и акустооптической ячейкой, выполненной из анизотропного кристалла, введена полуволновая фазовая пластина, лазер выполнен в виде полупроводникового лазерного диода с размерами излучающего перехода А В, формирующая оптическая система выполнена в виде двух последовательно установленных цилиндрических линз с фокусными расстояниями F₁ и F₂, в общей фокальной плоскости которых расположен излучающий переход лазерного диода, длинная сторона B которого расположена перпендикулярно плоскости пьезоэлектрического преобразователя акустооптической ячейки, длина L которого удовлетворяет условию



где v_ак и f_о соответственно скорость и средняя частота акустических волн;

n_о показатель преломления кристалла светозвукопровода для падающего лазерного пучка;

К 2 100 числовой коэффициент,

а блок управления акустооптической ячейкой выполнен в виде генератора набора М высокочастотных сигналов, частоты которых равномерно распределены внутри рабочего диапазона f = (0,1-0,5)f_o, причем М (1 2)К.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что F₂/F₁ Q_а/Q_в, где Q_а и Q_в угловая расходимость излучения полупроводникового лазерного диода соответственно вдоль узкой A и длинной B сторон излучающего перехода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для уменьшения расходимости лазерного излучения и может использоваться при создании лазерных систем связи и управления, оптико-волоконных систем связи и т.д.

Для уменьшения угловой расходимости лазерного излучения используют, как правило, либо телескопические оптические системы, обеспечивающие уменьшение угловой расходимости лазерного пучка пропорционально увеличению его диаметра (Справочник конструктора оптико -механических приборов. В.А.Панов, М.Я. Кругер, В. В. Кулагин и др. Л. Машиностроение, 1980), либо неустойчивые резонаторы, которые обеспечивают изначально генерацию лазерного пучка с наименьшей (дифракционной) расходимостью (О. Звелто. Физика лазеров. М. Мир, 1979).

Наиболее близким к заявляемому техническому решению являются акустооптические ячейки, использующие дифракцию лазерного пучка на акустических волнах в кристаллах. При акустооптическом взаимодействии расходимость дифрагированного света определяется произведением распределений интенсивностей падающей световой волны и акустического поля в дальней зоне. Если угловая расходимость падающего света много больше расходимости акустического поля, то дифрагированный пучок будет иметь расходимость, равную расходимости акустического поля, т.е. меньшую, чем исходный световой пучок (Л.Н.Магдич, В.Я. Молчанов. Акустооптические устройства и их применение. М. Сов. радио, 1978, с. 30). Однако эффективность такого уменьшения светового пучка невелика и обратно пропорциональна отношению расходимостей падающего света и звука.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности при уменьшении угловой расходимости лазерного пучка.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе акустооптического взаимодействия в анизотропной среде в диапазоне рабочих частот f вектор поляризации падающего лазерного пучка устанавливают перпендикулярно направлению распространения акустических волн, среднюю частоту рабочего диапазона частот выбирают из условия Q_д/f0, где Q_д угол дифракции лазерного пучка, f текущее значение частоты акустического пучка, а угловую расходимость акустического пучка Q_а, возбужденного на M частотах внутри рабочего диапазона f выбирают удовлетворяющим условию Q_л/Q_а=K, где Q_л угловая расходимость падающего лазерного пучка в анизотропной среде, K=2.100, M=(1.2)K.

Зависимость углов падения Q_п и дифракции Q_д лазерного излучения от частоты f ультразвуковых волн при акустооптическом взаимодействии в анизотропном кристалле, например парателлурите, приведены на фиг. 1. Обычно в дефлекторах и перестраиваемых фильтрах используют зависимость Q₁ для падающего лазерного пучка, а зависимость Q₂ для дифрагированного лазерного пучка.

В предлагаемом способе уменьшения угловой расходимости лазерного пучка и устройстве, его реализующем, зависимость Q₂ использована для падающего лазерного пучка, а зависимость Q₁ для дифрагированного пучка, при этом точка экстремума Q₁/f0 задает значение центральной частоты f₀ рабочего диапазона частоты и тип поляризации падающего лазерного пучка (фиг. 16).

При осуществлении анизотропной дифракции в предлагаемом способе возбуждают M акустических пучков разных частот в рабочем диапазоне f равномерно отстоящих друг от друга. Распределение интенсивностей I_а для трех акустических пучков разных частот f₁, f₂ и f₃ условно представлены на фиг. 1а. Условность состоит в смещении распределений интенсивностей акустических пучков частот f₁ и f₃ в угловые области лазерного пучка, которые взаимодействуют с акустическим пучком соответствующей частоты, согласно зависимостям Q₂(f) и Q₁(f). Угловую расходимость Q_а акустических пучков выбирают в K раз меньше угловой расходимости Q_л падающего лазерного пучка. Распределение интенсивности падающего лазерного пучка I_л представлено на фиг. 1а. Каждый из акустических пучков взаимодействует с соответствующими угловыми составляющими падающего лазерного пучка, но дифрагированные лазерные пучки от взаимодействия с акустическими пучками разных частот практически отклоняются по одному направлению, образуя дифрагированный пучок I_д с угловой расходимостью Q_д. Предельное значение угловой расходимости дифрагированного лазерного пучка может быть оценено как: Q_дn_e Q_а, где n_e показатель преломления среды акустооптического взаимодействия для дифрагированного пучка.

Число M акустических пучков разных частот, равномерно распределенных внутри частотного диапазона f который однозначно определяется геометрией акустооптического взаимодействия, задают отношением K=Q_л/Q_а и выбирают в интервале M=(1.2)K. Реально значение параметра K может находиться в интервале 2.100.

Таким образом, в сравнении с прототипом, предложенный способ уменьшения угловой расходимости лазерного излучения характеризуется значительно большей по крайней мере в несколько раз эффективностью, что обусловлено сложением в одном направлении дифрагированных лазерных пучков.

Реализация заявленного способа и поставленной цели достигается тем, что в устройство для уменьшения угловой расходимости лазерного излучения, содержащее последовательно соединенные лазер, формирующую оптическую систему и акустооптическую ячейку, а также блок управления акустооптической ячейкой, выход которого соединен со входом управления акустооптической ячейки, лазер и акустооптическую ячейку, выполненную из анизотропного кристалла, взаимно располагают так, что вектор поляризации лазера параллелен плоскости пьезоэлектрического преобразователя акустооптической ячейки, длина которого удовлетворяет условию и f₀ соответственно скорость и средняя частота акустических волн, n₀ показатель преломления кристалла светозвукопровода для падающего лазерного пучка, Q_л угловая расходимость падающего лазерного пучка, K числовой коэффициент, выбираемый в интервале K=2. 100, а блок управления акустооптической ячейкой выполнен в виде генератора набора M высокочастотных сигналов, частоты которых равномерно распределены внутри рабочего диапазона f(0,1.0,5)f₀, причем M=(1.2)K.

На фиг. 2 представлена блок-схема устройства для уменьшения угловой расходимости лазерного излучения.

Оно содержит лазер 1, формирующую оптическую систему 2, акустооптическую ячейку (АОЯ) 3, блок управления (БУ) акустооптической ячейкой 4.

Лазерный пучок лазера 1 проходит формирующую оптическую систему 2 и АОЯ 3. Выход БУ 4 соединен со входом управления АОЯ. Лазер 1 и АОЯ 3 расположены так, что вектор поляризации лазера параллелен плоскости пьезопреобразователя (ПП) АОЯ 3. На фиг. 2 вектор поляризации на входе АОЯ 5 представлен точкой ()

Блок управления 4 акустооптической ячейкой создает набор высокочастотных сигналов U_m, частоты которых равномерно расположены в рабочем диапазоне f Сигналы U_m, подаваемые на пьезоэлектрический преобразователь АОЯ 3 от блока управления 4, вызывают в светозвукопроводе ячейки акустические волны, на которых происходит дифракция падающего лазерного пучка в соответствии с углочастотными зависимостями, представленными на фиг. 1.

Длину пьезопреобразователя акустооптической ячейки, выполненной из анизотропного кристалла, например парателлурита (TeO₂), и срез кристалла выбирают из условия: и f₀ скорость и средняя частота акустических волн в кристалле светозвукопровода АОЯ, Q_л угловая расходимость падающего лазерного пучка в воздухе, K числовой коэффициент, определяющий уменьшение угловой расходимости дифрагированного лазерного пучка по отношению к угловой расходимости падающего лазерного пучка и выбираемый в интервале K= 2.100, n₀ показатель преломления кристалла для падающего лазерного пучка. Число M сигналов разных частот, создаваемых БУ 4, может составлять целое число в интервале K.2K.

Диапазон рабочих частот f сигнала U_m определяется угловой расходимостью падающего лазерного излучения и может находиться в интервале (0,1.0,5) f₀, где f₀ центральная частота.

Отметим, что предложенное устройство осуществляет уменьшение угловой расходимости в одной плоскости. Для уменьшения угловой расходимости в ортогональной плоскости необходимо после АОЯ 3 установить вторую АОЯ, развернутую на 90^o относительно первой.

Значительный практический интерес представляет использование предложенного способа уменьшения угловой расходимости для уменьшения расходимости излучения лазерных полупроводниковых диодов.

Структурная схема устройства коррекции угловой расходимости излучения полупроводникового лазерного диода (ЛД) представлена на фиг. 4а, б. Оно содержит ЛД 1, фокусирующую оптическую систему, включающую две цилиндрические линзы 2 и 3, фазовую полуволновую пластину 4, акустооптическую ячейку 5 и блок управления АОЯ 6. Излучающий переход ЛД, расположение которого условно представлено на фиг. 3, имеет размеры AxB. Длинная сторона B излучающего перехода расположена перпендикулярно плоскости пьезоэлектрического преобразователя АОЯ 5. Лазерный пучок ЛД1, поляризованный вдоль длинной стороны B излучающего перехода, т.е. поляризованный в плоскости Y (на фиг. 4б вектор поляризации представлен стрелкой ), проходит цилиндрические линзы 2 и 3 и полуволновую фазовую пластину 4, на выходе которой вектор поляризации поворачивается на 90^o (на фиг. 4б, он представлен () ) и устанавливается параллельно плоскости ПП АОЯ 5. Лазерный пучок, проходя далее АОЯ 5, на ПП которой подан многочастотный сигнал U_m от блока управления 6, дифрагирует в соответствии с углочастотными зависимостями, представленными на фиг. 1.

Оценим ожидаемые характеристики заявленного устройства. Лазерный пучок в плоскости Z имеет угловую расходимость Q_a= 1,2/A, где длина волны лазерного диода. В плоскости Y расходимость ЛД определяется модовым составом излучения и составляет величину равную, как правило, Q_в=6.15^o. Для ЛД с 0,9 мкм при размерах излучающего перехода AxB=1x100 мкм величина Q_а=60^o.

Фокусные расстояния F₁ и F₂ цилиндрических линз 2 и 3, в фокальной плоскости которых расположен ЛД1, выбраны таким образом, чтобы на входе АОЯ 5 лазерный пучок имел одинаковые размеры по Z и Y координатам.

Q_Z=A/F₁; Q_Y=B/F₂; F₂/F₁=Q_а/Q_в; I_Y=I_Z=Q_а; F₁=Q_вF₂,

где Q_Z, Q_Y и I_Z, I_y соответственно, угловая расходимость и линейные размеры лазерного пучка на выходе фокусирующей оптической системы в Z и Y плоскостях.

Полагая F₁=1 мм, F₂=5 мм получим:

Q_Z=10^-3 рад (3,5"); Q_Y=20^-3 рад (1,16"); I_Y=I_Z=1,05 мм.

Расходимость акустического пучка в светозвукопроводе АОЯ определяется выражением: Q_а= n_ак /(fL). Для АОЯ со светозвукопроводом из TeO₂ при наклоне плоскости пьезопреобразователя относительно кристаллографической оси [001] на угол 10^o (фиг. 3) y_a650 м/с и f₀=158 МГц для 0,9 мкм. Полагая L= 1,5 см, получим расходимость акустического пучка



Расходимость Q^в_л лазерного пучка в воздухе в n раз больше расходимости Q_л лазерного пучка в кристалле, где n показатель преломления кристалла. Расходимость дифрагированного пучка в воздухе Q^d_д после дифракции на акустическом пучке равна Q^d_дQ_аn_e, где n_e - показатель преломления кристалла для дифрагированного пучка. Для вышеприведенных данных Q^d_д2,2", т.к. для 0,9 мкм n_e-2,360.

Реальная расходимость дифрагированного пучка будет несколько больше величины Q^в_д из-за влияния кривизны зависимости угла дифракции от частоты и реальной расходимости акустических пучков, но после осуществления уменьшения расходимости излучения ЛД предложенным устройством, угловая расходимость выходного пучка в двух плоскостях будет примерно одинаковой, а не отличаться в десятки раз как в исходном пучке.

На фиг. 5 приведены рассчитанные зависимости углов падения Q₂ и дифракции Q₁ от частоты акустических волн в вышеописанной АОЯ, причем углы дифракции построены также для двух крайних случаев расходящихся акустических пучков.

Учитывая, что в кристалле TeO₂ n₀=2,215 для падающего лазерного пучка с длиной волны 0,9 мкм, определим рабочий диапазон Df частот управления, необходимый для компенсации угловой расходимости Q_у= Q^в₂1,16^o лазерного пучка в воздухе. Углы Q₂ в кристалле равны Q₂=Q_y/n₀=0,52^o. Следовательно, диапазон частот f управления, как следует из фиг. 5, равен 16 МГц при центральной частоте 158 МГц и крайних частотах 150 МГц и 166 МГц.

Число частот M, возбуждаемых в АОЯ, равно M=(1.2)Q₂/Q_а=(1.2)74. Реально задать M=100.

Для создания большого числа высокочастотных сигналов в качестве блоков управления 6 целесообразно использовать генераторы "белого" шума, например, на основе шумов стабилитрона, спектр шума которого с помощью смесителей частоты может быть перенесен в требуемую рабочую область, а полоса частот сформирована выходным полосовым фильтром. Выходная мощность блока управления 6 в заданной полосе управления необходима небольшая, порядка 2.3 Вт, что связано с большой длиной акустооптического взаимодействия в предлагаемом устройстве.

Отметим, что выбором углов входной и выходной граней светозвукопровода по отношению к плоскости пьезопреобразователя АОЯ можно реализовать коллинеарное распространение падающего и дифрагированного лазерных пучков для удобства использования предложенных устройств.

Использование новых электронных узлов и связей выгодно отличает предлагаемые устройства для уменьшения угловой расходимости лазерного излучения, так как они обеспечивают высокую эффективность преобразования расходящегося лазерного пучка в узкий дифрагированный пучок, угловая расходимость которого, в пределе, может быть близка к дифракционной.