коллимирующая оптическая система для полупроводникового лазера
Классы МПК: | G02B27/30 коллиматоры |
Автор(ы): | Бушмелев Н.И., Кривошеин В.Н., Погорельский С.Л., Сбродов А.В., Тихонов В.П. |
Патентообладатель(и): | Конструкторское бюро приборостроения |
Приоритеты: |
подача заявки:
1995-01-12 публикация патента:
10.01.1998 |
Использование: в оптическом приборостроении и относится к коллимирующим оптическим системам с преломляющимися элементами, может быть использовано в системах оптической локации, оптической связи, управления и наблюдательных приборах. Сущность изобретения заключается в том, что коллимирующая оптическая система для полупроводникового лазера 1 содержит последовательно расположенные по ходу лучей объектив 2, 3 и группу призм 4, 5. Ребра преломляющих двугранных углов призм 4, 5 ориентированы параллельно плоскости полупроводникового перехода. Преломляющие углы призм 4, 5 выбираются в пределах 25-40o. Угловое увеличение Г группы призм 4, 5 выбирается из следующего соотношения:
, где
- углы расходимости излучения полупроводникового лазера в плоскостях, параллельной и перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода соответственно. Передняя фокальная плоскость объектива смещена относительно предметной плоскости на расстояние
0, определяемое соотношением:
, где
и a
- размеры тела свечения полупроводникового лазера в плоскостях, параллельной и перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода соответственно. Продольная сферическая аберрация
(u) объектива выбирается из следующего соотношения:
(u) = -2/3
0
(u/
)2, где U - апертурный угол объектива. 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3













Формула изобретения
Коллимирующая оптическая система для полупроводникового лазера, содержащая последовательно расположенные по ходу лучей объектив и группу призм, отличающаяся тем, что ребра преломляющих двугранных углов призм ориентированы параллельно плоскости полупроводникового перехода, преломляющие углы призм выбираются в пределах 25 40o, угловое увеличение Г группы призм выбирается из следующего соотношения:
где



где






где U апертурный угол объектива;
So> расстояние от передней фокальной плоскости объектива до предметной плоскости;


Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к оптическому приборостроению, точнее к коллимирующим оптическим системам с преломляющими элементами, и может быть использовано в системах оптической локации, оптической связи, управления и наблюдательных приборах. Известна коллимирующая оптическая система для полупроводникового лазера, содержащая последовательно расположенные по ходу лучей положительный оптический компонент и цилиндрический оптический компонент, ось которого ориентирована параллельно плоскости полупроводникового перехода [1]Недостатком указанной оптической системы является невозможность коррекции формы сечения и углового распределения интенсивности выходного пучка. В дальней зоне, то есть на большом удалении от оптической системы, отсутствие осевой симметрии и неравномерность распределения интенсивности в сечении выходного пучка представляет серьезное неудобство при работе с коллимированным пучком. В ближней зоне, то есть вблизи оптической системы, отсутствие осевой симметрии в сечении выходного пучка приводит к неполному заполнению входного и выходного зрачков телескопической оптической системы, которая может устанавливаться после коллимирующей оптической системы и содержать штриховые метки, шкалы или сетки, проецируемые на бесконечность. Неполное заполнение зрачков приводит к ухудшению качества изображения. Отсутствие осевой симметрии в сечении выходного пучка в ближней зоне связано с различной угловой расходимостью излучения полупроводникового лазера в двух взаимно перпендикулярных плоскостях параллельной и перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода. Отсутствие осевой симметрии в сечении выходного пучка в дальней зоне связана с тем, что тело свечения полупроводникового лазера имеет форму сильно вытянутого прямоугольника, большая сторона которого ориентирована параллельно плоскости полупроводникового перехода. Полупроводниковые лазеры, излучающие большую мощность в непрерывном режиме при комнатной температуре, относятся к лазерам на двойной гетероструктуре с полосковой геометрией. Для таких лазеров характерны значения угловой расходимости излучения по уровню



В указанной оптической системе ([1] фиг.7) форма сечения выходного пучка в дальней зоне может быть скорректирована действием цилиндрического компонента. Форма сечения выходного пучка в ближней зоне может быть скорректирована путем размещения цилиндрического компонента на таком расстоянии от положительного компонента, при котором размеры падающего на цилиндрический компонент светового пучка становятся одинаковыми в двух взаимно перпендикулярных плоскостях параллельной и перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода. Однако вследствие малой угловой расходимости светового пучка на выходе положительного компонента такой путь приводит к чрезмерному увеличению продольного габарита указанной оптической системы. Другим недостатком указанной оптической системы является использование цилиндрических линз, технологически сложных в изготовлении. Наиболее близким по технической сущности к заявляемой является коллимирующая оптическая система, содержащая последовательно расположенные по ходу лучей первый отрицательный оптический компонент, первую группу призм, положительный оптический компонент, вторую группу призм и второй отрицательный оптический компонент, в которой апертурный угол оптических компонентов выбирается в пределах 20o-40o, преломляющий угол призм выбирается в пределах 10o-40o, а угол



Как следует из описания, наиболее эффективным является применение указанной оптической системы для коллимирования излучения полупроводниковых лазеров. При этом отпадает необходимость в первом отрицательном оптическом компоненте. Недостатком указанной оптической системы в случае ее применения для полупроводниковых лазеров является невозможность коррекции формы сечения и углового распределения интенсивности выходного пучка, что связано с неудобством работы с коллимированным световым пучком и ухудшением качества изображения штриховых меток, шкал или сеток, проецируемых на бесконечность. В указанной оптической системе форма сечения выходного пучка в ближней зоне может быть скорректирована действием первой группы призм. Однако в дальней зоне форма сечения выходного пучка не может быть скорректирована действием второй группы призм, так как для этого во второй группе призм необходимо обеспечить угловое увеличение


где



где







где U апертурный угол объектива,

q




В соответствии с этим в ближней зоне вышедший из объектива световой пучок имеет большой размер в плоскости, перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода. В дальней зоне, наоборот, световой пучок имеет больший размер в плоскости, параллельной полупроводниковому переходу. Призмы 4 и 5 представляют собой телескопическую анаморфотную систему [6] В плоскости, параллельной плоскости полупроводникового перехода, призмы не изменяют размеры светового пучка ни в ближней, ни в дальней зоне. В плоскости, перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода, призмы трансформируют проходящий световой пучок таким образом, что его размер уменьшается в ближней зоне и увеличивается в дальней зоне. В результате на выходе призм формируется практически осесимметричный световой пучок. В плоскости, параллельной плоскости полупроводникового перехода, из-за большой ширины активного слоя лазер генерирует излучение на нескольких поперечных модах резонатора, в связи с этим угловое распределение интенсивности излучения лазера в этой плоскости приблизительно постоянно в пределах угла расходимости



При отсутствии аберраций объектива распределение интенсивности в сечении выходного пучка в дальней зоне пропорционально распределению освещенности в передней фокальной плоскости объектива. В соответствии с вышеизложенным в плоскости, параллельной плоскости полупроводникового перехода, это распределение будет постоянным в пределах угла расходимости выходного пучка. В плоскости, перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода, это распределение будет описываться гауссовой кривой. Сферическая аберрация объектива действует таким образом, что лучи от периферийных участков выходного зрачка объектива в дальней зоне испытывают смещение в сторону оптической оси. В плоскости, параллельной плоскости полупроводникового перехода, апертура падающего на объектив пучка мала, поэтому сферическая аберрация незначительна и практически не искажает распределение интенсивности в сечении выходного пучка, которое остается постоянным в пределах угла расходимости. В плоскости, перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода, положительная сферическая аберрация приводит к перераспределению интенсивности в сечении выходного пучка от периферийных участков сечения в центральную его часть. В результате в центральной части сечения выходного пучка в дальней зоне формируется практически постоянное распределение интенсивности. На фиг. 2,а и 2,б показаны: H и H"- передняя и задняя главные плоскости объектива; G и G"- плоскости входного и выходного зрачков призменной системы (предполагается, что выходной зрачок расположен на выходной грани последней призмы); F передний фокус объектива; E центр тела свечения; A, B, C, D - крайние точки тела свечения; EE1E2E3, EE4E5E6 нулевой и осевой лучи; AA1A2A3, BB1B2B3, CC1C2C3, DD1D2D3 лучи, определяющие границы светового пучка в дальней зоне. Введем обозначения:

Г угловое увеличение группы призм,

I(u), J(v) угловое распределение интенсивности лазерного пучка и выходного пучка в плоскости, перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода. Для осевого пучка имеем следующие соотношения:
I(u)


u-u



Гауссова функция I(u) аппроксимируется квадратичной зависимостью:
I(u) = Io



При -1,2










Для крайних лучей пучка имеем следующие соотношения:












Условие осевой симметрии выходного пучка в ближней и дальней зоне



Для указанных выше характеристик значений O, O, d, d, а соответствующие значения Г 2,5-5,



Угловое увеличение Г группы призм связано с преломляющим углом

Г = (1-(sin


Для указанных значений Г и типичных значений n 1,5-1,7 соответствующие значения


Для указанных выше характерных значений




Таким образом, предлагаемая коллимирующая оптическая система позволяет получить практически осесимметричный световой пучок с постоянным угловым распределением интенсивности в расходимости как от одного, так и от нескольких полупроводниковых лазеров. Источники информации
1. Патент ЕР N 0100242, кл. 6 G O1 B 13/00, H OI S 3/00, 1983. 2. Авторское свидетельство СССР N 1624392, кл. 6 G O2 B 27/30, 1991. 3. Справочник по лазерной технике./Под ред. проф. А.П.Напартовича. М. Энергоиздат, 1991, с. 139. 4. Э. В. Аржанов, А. П.Богатов, В.П.Коняев, О.М.Никитина, В.И.Швейкин. Волноводные свойства гетеролизеров. "Квантовая электроника", 1994, т. 21(7), с. 633. 5. Laser diode product catalog. Spektra Diode Labs, 1993. 6. Вычислительная оптика. Справочник./Под общ. ред. проф. М.М.Русинова. Л. Машиностроение, 1984, с. 217.
объектив коллиматора - патент 2517760 (27.05.2014) | ![]() |
автоколлимационное теневое устройство - патент 2497165 (27.10.2013) | ![]() |
автоколлимационное углоизмерительное устройство - патент 2491586 (27.08.2013) | ![]() |
коллиматор - патент 2489744 (10.08.2013) | ![]() |
коллимирующая оптическая система для полупроводникового лазера - патент 2481605 (10.05.2013) | ![]() |
инфракрасный коллиматор - патент 2470335 (20.12.2012) | ![]() |
видеоавтоколлиматор - патент 2455668 (10.07.2012) | ![]() |
коллиматор для настройки многоканальной телевизионной системы - патент 2413267 (27.02.2011) | ![]() |
оптическая система для полупроводниковых лазеров - патент 2390811 (27.05.2010) | ![]() |
автоколлиматор для измерения угла скручивания - патент 2384812 (20.03.2010) |