Способ синхронизации линейки лазерных диодов и резонансное решетчатое волноводное зеркало для его реализации
Владельцы патента RU 2429555:
ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "НОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ" (RU)
Способ заключается в том, что непосредственно за коллимирующей цилиндрической линзой установленной перед просветленным выходным торцом линейки лазерных диодов помещают резонансное решетчатое зеркало в виде планарного волновода с дифракционной решеткой на его поверхности. Указанная решетка выполнена в виде гофра, причем параметры волновода и дифракционной решетки подбирают таким образом, чтобы в волноводе возбуждались две моды, распространяющиеся в противоположных направлениях. При этом при взаимодействии указанных мод с гофрированной поверхностью волновода они излучаются в прилегающие к упомянутому волноводу среды. Гофрированная поверхность волновода обладает просветляющими свойствами, исключающими паразитную генерацию на Френелевском отражении. Технический результат заключается в обеспечении пространственной когерентности излучения и в повышении компактности устройства. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к области лазерной техники и, в частности, к способу синхронизации линейки лазерных светодиодов и к резонансному решетчатому волноводному зеркалу для реализации способа.
Основной принцип синхронизации заключается в том, чтобы обеспечить поперечную пространственную когерентность излучения обратной связи для всех излучателей линейки лазерных диодов. Для достижения данной цели делались попытки использовать резонатор Тальбо (см., например, US 4813762, 21.03.1989, Д1 или US 5027359, 25.06.1991, Д2) и устройства пространственной фильтрации (см., например, J.Yaeli, W.Streifer, D.R.Scifres et al., Appl. Phys. Lett. 47 (2), 89-91, 1985, Д3). В обоих упомянутых подходах помимо коллимирующей цилиндрической линзы используются дополнительные оптические элементы, отнесенные на значительное расстояние от линзы, что существенно увеличивает размеры устройства, усложняет процесс юстировки устройства и снижает его механическую виброустойчивость.
Из уровня техники известно использование линейки лазерных диодов, применение которых обеспечивает повышение мощности излучения в сфазированном режиме, сохранение дифракционного предела расходимости излучения, соответствующего синтезированной апертуре (см. RU 2166820, 10.05.2001, Д4). Данное решение также обладает уже указанными выше недостатками.
Также из уровня техники известен полупроводниковый лазер с широкой активной областью, содержащий последовательно установленные вдоль оптической оси высокоотражающее зеркало, активный элемент, коллимирующую линзу и оптически связанный с ними селектор мод, работающий в режиме отражения (см. RU 2197772, 27.01.2003, Д5), который может быть выбран в качестве прототипа. Однако данное устройство обладает следующими недостатками: предлагаемый метод синхронизации может быть применен только к структурам, имеющим единый планарный волновод в плоскости p-n перехода, и не применим к лазерным диодным линейкам, в которых каждому диоду соответствует отдельный канальный волновод, а также предлагаемое решение не обладает компактностью, поскольку зеркало не должно перекрывать выходящий пучок и поэтому должно быть отнесено на значительное расстояние от коллимирующей цилиндрической линзы, причем согласно диапазону заявленных углов установки зеркала для диодной структуры с апертурой в 10 мм это расстояние будет не менее 10 см.
Для того чтобы устранить указанные недостатки и при этом обеспечить пространственную когерентность излучения обратной связи, предлагается непосредственно за коллимирующей цилиндрической линзой (2), установленной перед просветленным выходным торцом линейки лазерных диодов (1), поместить резонансное зеркало (РЗ) в виде гофрированного планарного волновода (3), обладающего резонансным отражением на длине волны генерации диодной линейки при падении света перпендикулярно поверхности волновода (см. Фиг.1). Волновод представляет собой диэлектрическое покрытие в виде чередующихся слоев высокого и низкого показателей преломления, нанесенных на плоскую гофрированную поверхность цилиндрической линзы или отдельной подложки. Диэлектрическое покрытие рассчитано таким образом, чтобы, с одной стороны, ширина углового резонанса отражения было много меньше угловой расходимости излучения отдельного диода в плоскости p-n перехода, а с другой стороны, превышала дифракционную расходимость излучения, определяемую полной апертурой линейки диодов. Кроме того, покрытие должно обладать просветляющим свойством для излучения с углами падения или длиной волны вне пределов резонанса. При необходимости за гофрированным волноводом устанавливается корректирующая дифракционная решетка 4, преобразующая диаграмму направленности выходного излучения с двумя основными лепестками в диаграмму, имеющую один основной лепесток.
Принцип работы резонансного зеркала заключается в следующем. Параметры волновода и дифракционной решетки (период решетки Л) подбираются таким образом, чтобы при падении плоской волны с длиной волны λ нормально к поверхности волновода в нем возбуждались две волноводные моды, распространяющиеся в противоположных направлениях. При распространении в волноводе эти моды взаимодействуют с гофрированными границами раздела сред и излучаются в прилегающие к волноводу среды. Дистанция взаимодействия мод с решеткой Lrad определяется ее силой (глубиной гофра σ) и в практических устройствах может достигать нескольких миллиметров. Это расстояние соответствует минимальному размеру поперечной когерентности пучка света, отраженного резонансным зеркалом (см., например, «Отражение ограниченного пучка света на волноводной решетке ограниченных размеров». Квантовая электроника, 1997, т.24, с.457, Д6).
На Фиг.2, в качестве примера, приведена резонансная зависимость коэффициента отражения плоской волны с длиной волны λ=930 нм от угла падения (вектор электрического поля волны лежит в плоскости падения - ТМ поляризация). В этом примере РЗ представляет собой просветляющее двухслойное диэлектрическое покрытие в виде пленки пентаокиси тантала толщиной 178,2 нм (показатель преломления 2,1931) и пленки двуокиси кремния толщиной 102,9 нм (показатель преломления 1,4827), последовательно нанесенных на гофрированную поверхность подложки из плавленого кварца с периодом гофра Λ=580 нм и его глубиной σ=20 нм соответственно.
Дополнительным преимуществом резонансного волноводного зеркала является также его селективность по длине волны. На Фиг.3 приведена спектральная зависимость коэффициента отражения резонансного зеркала.
Механизм синхронизации линейки лазерных диодов поясняется на Фиг.4. Минимальная величина расходимости излучения отдельного диода линейки соответствует расходимости λ/d основной моды, где d - полная апертура диода, и для величины d, равной 0,2 мм при длине волны λ=930 нм, оценивается в 0,27 угловых градуса.
В случае, когда излучение отдельных диодов не синхронизовано, то излучение линейки имеет расходимость не менее расходимости отдельного диода, которая в свою очередь значительно превышает угловую ширину резонанса 0,03 градуса в приведенном выше примере РЗ. Это приводит к низкому эффективному коэффициенту отражения РЗ и подавляет индивидуальную генерацию лазерных диодов.
В случае, когда излучение линейки диодов синхронизовано, тогда в целом излучение линейки диодов, падающей на РЗ аналогично излучению плоской волны, прошедшей через амплитудную дифракционную решетку (распределение амплитуды волны показано в верхней части Фиг.4) и содержит в основном нулевой (около 50% от полной мощности излучения) и плюс-минус первый порядки дифракции. Угловую расходимость излучения нулевого порядка дифракции можно оценить как λ/D, где D - полная апертура диодной линейки. Для величины D, равной 1 см при длине волны λ=930 нм, эта расходимость оценивается в 0,005 угловых градуса, которая на порядок меньше угловой ширины резонанса в приведенном выше примере РЗ. Поэтому нулевой порядок дифракции отразится резонансным зеркалом обратно в резонатор с эффективностью, близкой к 100%, в то время как плюс-минус первые порядки дифракции имеют угловой спектр вне пределов резонанса и проходят через РЗ без отражения, формируя выходное излучение в виде двух основных лепестков в диаграмме направленности.
При необходимости иметь один основной лепесток в диаграмме направленности линейки лазерных диодов предлагается использовать корректирующую дифракционную решетку 4, которая приводит меняющие знак амплитуды падающего на нее излучения к амплитудам одного знака на ее выходе.
Технически резонансное зеркало и корректирующая решетка могут быть выполнены на двух сторонах единой подложки, которая в свою очередь может быть приклеена с помощью оптического клея на плоскую выходную грань коллимирующей цилиндрической линзы, как показано на Фиг.5. Данное решение обеспечивает максимальную компактность устройства.
1. Способ синхронизации линейки лазерных диодов, заключающийся в том, что непосредственно за коллимирующей цилиндрической линзой, установленной перед просветленным выходным торцом линейки лазерных диодов, помещают резонансное решетчатое зеркало в виде планарного волновода с дифракционной решеткой на его поверхности, выполненной в виде гофра, где параметры волновода и дифракционной решетки подбирают таким образом, чтобы в волноводе возбуждались две моды, распространяющиеся в противоположных направлениях, при взаимодействии которых с гофрированной поверхностью волновода они излучаются в прилегающие к упомянутому волноводу среды, при этом гофрированная поверхность волновода обладает просветляющими свойствами, исключающими паразитную генерацию на Френелевском отражении.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутый волновод состоит из по меньшей мере двух чередующихся слоев с высоким и низким показателем преломления соответственно.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что гофрирование поверхности волновода выполняют по всей длине волновода или по его части.
4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что после упомянутого волновода устанавливают корректирующую дифракционную решетку, предназначенную для преобразования диаграммы направленности выходного излучения с двумя основными лепестками в диаграмму, имеющую один основной лепесток.
5. Резонансное решетчатое волноводное зеркало для синхронизации линейки лазерных диодов, содержащее планарный волновод с дифракционной решеткой на его поверхности, выполненной в виде гофра, который помещают на линейку лазерных диодов с коллимирующей цилиндрической линзой, причем параметры волновода и дифракционной решетки подбирают таким образом, чтобы в волноводе возбуждались две моды, распространяющиеся в противоположных направлениях, при взаимодействии которых с гофрированной поверхностью волновода они излучаются в прилегающие к упомянутому волноводу среды, при этом гофрированная поверхность волновода обладает просветляющими свойствами, исключающими паразитную генерацию на Френелевском отражении.
6. Резонансное решетчатое волноводное зеркало по п.5, отличающееся тем, что упомянутый волновод состоит из по меньшей мере двух чередующихся слоев с высоким и низким показателем преломления соответственно.
7. Резонансное решетчатое волноводное зеркало по п.5, отличающееся тем, что гофрирование поверхности выполняют по всей длине волновода или по его части.
8. Резонансное решетчатое волноводное зеркало по любому из пп.5-7, отличающееся тем, что после упомянутого волновода устанавливают корректирующую дифракционную решетку, предназначенную для преобразования диаграммы направленности выходного излучения с двумя основными лепестками в диаграмму, имеющую один основной лепесток.
