Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ИЗЛУЧАЮЩИЙ СУММАТОР
ИЗЛУЧАЮЩИЙ СУММАТОР

ИЗЛУЧАЮЩИЙ СУММАТОР

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Излучающий сумматор включает излучающие источники с излучающими полосками и отображающее средство, расположенное между источниками и выходом сумматора и содержащее средство формирования излучения. Оптическая длина от выходного торца каждого из излучающих источников до выхода сумматора равна (L± ΔL), где Δ L - отклонение оптической длины, составляющее не более 10% от L. В средство формирования введено оптическое средство суммирования излучения, выполненное в виде призмы, имеющей входную грань, расположенную перпендикулярно оптическим осям пучков излучения, и отражающие грани, после отражения от которых оптические оси пучков излучения расположены параллельно в плоскости, параллельной коротким сторонам излучающих полосок, с возможностью частичного перекрытия пучков излучения. Средства коллимирования излучения в плоскостях, параллельных коротким сторонам соответствующих излучающих полосок, размещены со стороны излучающих источников для каждого из них. Общее средство коллимирования излучения в плоскости, параллельной длинным сторонам полосок, помещено после оптического средства суммирования излучения. Обеспечивается увеличение яркости и плотности выходной мощности пучка излучения с уменьшенными потерями излучения, а также повышение эффективности работы и упрощение юстировки и технологии изготовления. 36 з.п. ф-лы, 11 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2172972
Класс(ы) патента: G02B27/09, H01S5/40
Номер заявки: 2000101792/28
Дата подачи заявки: 27.01.2000
Дата публикации: 27.08.2001
Заявитель(и): РЕЙТЭК Лазер Индастрис Лтд. (IL)
Автор(ы): Солодовников В.В. (RU); Лавров А.Ф. (RU)
Патентообладатель(и): РЕЙТЭК Лазер Индастрис Лтд. (IL)
Описание изобретения: Изобретение относится к высокояркостным и с высокой плотностью выходной мощности источникам излучения, преимущественно на основе лазерных диодов.
Предшествующий уровень техники
Создание источников - излучающих сумматоров высокой яркости, иначе с высокой плотностью выходной мощности практически когерентного излучения, имеющих суженную спектральную характеристику, и с возможностью ввода излучения сумматора в световолокно, преимущественно диаметром 50 мкм, является одной из важнейших задач лазерной техники.
Известны устройства высокояркостных излучающих сумматоров [WO 92/02844 (DIOMED LIMITED) 1995 [Raven, G 02 B 27/00, 2/1992]], [US 5319528 (DIOMED LIMITED) 1994 [Raven, 362/32, F 21 V 7/04, 6/1994]] и в том числе на основе лазерных диодов. Отдельные излучающие источники таких устройств имеют полосковую область излучения в плоскости поперечного сечения, перпендикулярного к оптической оси соответствующего излучающего источника. Для ввода излучения, например, в световолокно необходимо получить практически круглое пятно на приемной поверхности для снижения потерь излучения. В известных указанных устройствах, а также в работе [T.Y.Fan and Antonio Sanchez, IEEE Journal of Quantum Electronics (1990), Vol.26, N 2, pp. 311-316] путем установки анаморфотных, коллимирующих и фокусирующих средств реализуют распространение пучков излучения от каждого источника в обособленных, не перекрывающихся областях в приемном угле от фокусирующего средства в зону фокусировки, в которой помещена приемная поверхность. На последней получают практически полную засветку приемной поверхности в виде изображения отдельных или тонких полос, или квадратов, облучающихся под разными углами.
Известный излучающий сумматор, в соответствии с [US 5463534 (DIOMED LIMITED) 1995 [Raven, 362/32, F 21 V 7/04, 10/1995]] включает, по крайней мере, два излучающих источника с равной полосковой геометрией излучающих областей. Излучающие полоски выходных торцов в сечениях, перпендикулярных оптическим осям излучающих источников, имеют длинные и короткие размеры перпендикулярно расположенных сторон. Оптическая длина пути излучения от выходного торца одного из излучающих источников до зоны фокусировки (в данном известном устройстве [US 5463534 (DIOMED LIMITED) 1995 [Raven, 362/32, F 21 V 7/04, 10/1995]] являющаяся также выходом излучающего сумматора) отлична от соответствующей оптической длины пути излучения от выходного торца другого излучающего источника до той же зоны фокусировки [см, например, Общий курс физики, том 3, Г.С. Ландсберг "Оптика", Гос.изд. Технико-теоретической литературы, Москва, 1952 г., с. 84].
Отображающее средство излучающего сумматора помещено между излучающими источниками и зоной фокусировки и содержит средство формирования излучения, включающее средства коллимирования излучения в перпендикулярных плоскостях, параллельных сторонам излучающей полоски, а также средство фокусировки в зону фокусировки, в которую помещена приемная поверхность.
В таком излучающем сумматоре для получения требуемой засветки приемной поверхности использованы в отображающем средстве цилиндрические телескопы, средства коллимирования и фокусирования. Средство фокусирования выбрано с практически равными фокальными длинами по x- и y-осям. Авторами [US 5463534 (DIOMED LIMITED) 1995 [Raven, 362/32, F 21 V 7/04, 10/1995]] особо отмечено, что в области приемного угла между средством фокусирования и зоной фокусировки (приемной площадкой на выходе излучающего сумматора) пучок излучения от каждого излучающего источника занимает обособленное пространство, не распространяясь в смежных пучках. По спектральным параметрам и по длинам волн результирующий пучок содержит весь разброс, характерный для отдельных источников излучения. При этом создаются трудности, особенно в случае лазерных диодов, получения при минимуме используемых исходных излучающих источников максимума выходной яркости, что наиболее актуально при введении излучения в оптическое световолокно.
Раскрытие изобретения
В основу изобретения положена задача создания излучающего сумматора со значительно увеличенной яркостью, плотностью выходной мощности однородного интегрального пучка излучения суженной направленностью, с увеличенным коэффициентом ввода в оптическое волокно диаметром в 50 мкм и менее, с возможностью самонастройки, с уменьшенными потерями излучения на оптическом пути, при уменьшенном числе источников излучения, повышении эффективности его работы на разных длинах волн, упрощенной юстировкой, технологией изготовления и удобством реализации, уменьшенными габаритами, весом, компактностью.
В соответствии с изобретением поставленная задача решается тем, что в излучающем сумматоре, включающем излучающие источники с излучающими полосками, имеющими прямоугольное сечение, отображающее средство, помещенное между излучающими источниками и выходом излучающего сумматора и содержащее средство формирования излучения, включающее средства коллимирования излучения в перпендикулярных плоскостях, параллельных сторонам излучающих полосок, предложено центры излучающих полосок или их изображений преимущественно располагать в плоскости, перпендикулярной длинным сторонам излучающих полосок или их изображений, при этом оптическая длина от выходного торца каждого из излучающих источников до выхода излучающего сумматора равна (L± Δ L), где Δ L - отклонение оптической длины, составляющее не более 10% от L, в средство формирования дополнительно предложено ввести по крайней мере одно оптическое средство суммирования излучений, выполненное в виде призмы, имеющей одну выходную грань, по крайней мере одну входную грань, расположенную перпендикулярно оптическим осям соответствующих пучков излучения излучающих источников и отражающие грани, расположенные с возможностью полного внутреннего отражения соответствующих пучков излучения излучающих источников таким образом, что после отражения оптические оси пучков излучения излучающих источников расположены параллельно в плоскости, параллельной коротким сторонам излучающих полосок, с возможностью частичного перекрытия пучков излучения излучающих источников по крайней мере на части своей протяженности, а средства коллимирования излучения предложено выполнять в виде средств, коллимирующих излучения в плоскостях, параллельных коротким сторонам соответствующих излучающих полосок, и размещенных со стороны излучающих источников для каждого из них, и общего средства, коллимирующего излучение в плоскости, параллельной длинным сторонам полосок, и помещенного после оптического средства суммирования излучений.
Следует определить, что под оптической осью средства формирования подразумевается ось симметрии совокупности параллельных оптических осей пучков излучений излучающих источников в оптическом средстве суммирования излучений (далее "ОСС"), совпадающая с оптической осью общего средства коллимирования, т. е. средства, коллимирующего излучения источников излучения в плоскости, параллельной длинной стороне излучающей полоски. ОСС иначе может быть названо "оптический суммирующий вращатель" или "средство переноса и суммирования". Под оптической осью сумматора подразумевается его выходная ось. В случае одной системы излучающих источников и одного средства формирования оптическая ось сумматора совпадает с оптической осью средства формирования. Признак ". ..центры излучающих полосок или их изображений..." означает, что на входную грань призмы ОСС подают по крайней мере один пучок излучения излучающего источника задаваемой формы (она зависит от формы излучающей полоски и от коллимирующих средств, которые установлены после излучающего источника) и необходимо, чтобы центр этого пучка помещался в плоскости, перпендикулярной оси поперечного сечения пучка, соответствующей длинной оси излучающей полоски или ее изображения.
При этом данная плоскость проходит через оптическую ось средства формирования. Из этого следует, что везде, где используется понятие "излучающие полоски" следует понимать "излучающие полоски или их изображения". "Выходным интегральным пучком" излучения названо излучение на выходе излучающего сумматора.
Отличием предложенных излучающих сумматоров являются существенные признаки конструкции: система излучающих источников (в частности, лазерных диодов); строгая ориентация излучающих источников по отношению к другим элементам оптической системы: центры излучающих полосок или их изображений расположены преимущественно в одной плоскости, перпендикулярной длинным сторонам излучающих полосок и преимущественно проходящей через оптическую ось средства формирования; средство формирования с пространственно разнесенными средствами, коллимирующими по разным плоскостям, параллельным сторонам излучающих полосок, с помещенным между ними ОСС; а также выбор оптической длины от выходного торца каждого излучающего источника до зоны фокусировки, равной (L ± Δ L) с указанным диапазоном изменения Δ L/L в процентах.
Предложенное оригинальное, неочевидное решение ОСС обеспечивает изменение направления пучков излучения от излучающих источников, а именно полное внутреннее отражение пучков излучения на отражающих гранях призменного устройства, параллельность оптических осей пучков излучения излучающих источников, расположенных в плоскости, параллельной коротким сторонам излучающих полосок или их изображений, перенос пучков излучения с суммированием данных пучков излучения при частичном перекрытии пучков излучения соседних излучающих источников. Предложенное решение ОСС позволяет создать излучающий сумматор с малыми энергетическими потерями при распространении излучения как в прямом направлении, так и в обратном.
Выходной интегральный единый пучок сумматора характеризуется отсутствием провалов яркости между соседними пучками и высокой однородностью по всему своему сечению. Предложенное конструктивное решение ОСС позволило уменьшить габариты и вес всего излучающего сумматора. Выполнена компактная высокотехнологичная конструкция.
Все указанное в совокупности определяет особенности функционирования и получаемые выходные характеристики излучающего сумматора: высокие яркость, плотность выходной мощности при уменьшенном количестве излучающих источников, при равномерной засветке приемной поверхности, в том числе при помещении последней в зону фокусировки, т. е. получена яркость пятна в центре, практически равная его яркости по краям приемной поверхности. Кроме того, упрощена технология изготовления устройства, юстировка. При эксплуатации значительно уменьшены потери излучения.
Предложенный излучающий сумматор имеет не сфокусированный выходной интегральный пучок излучения.
Поставленная задача решается тем, что излучающий сумматор включает средство фокусировки излучения, установленное после общего средства коллимирования. При наличии средства фокусировки оптическая ось сумматора совпадает с оптической осью средства фокусировки.
Кроме того, в зоне фокусировки можно поместить приемную поверхность, что требуется для ряда применений. В этом случае зона фокусировки совпадает с выходом излучающего сумматора.
В предложенном излучающем сумматоре в некоторых случаях источники излучения могут быть выполнены как в виде полосковых суперлюминесцентных диодов, так и в виде полосковых лазерных диодов.
В одном случае поставленная задача решается тем, что для различных излучающих источников отклонение оптической длины Δ L выбрано составляющим 2% - 8% от L. При этом достигается повышение яркости и плотности выходной мощности при эллипсообразном выходном интегральном пучке излучения излучающего сумматора.
В другом случае поставленная задача решается тем, что для различных излучающих источников отклонение оптической длины Δ L выбрано составляющим не более 1% от L. При этом также достигается повышение яркости и плотности выходной мощности, а при выборе требуемого количества излучающих источников и достигается практически изоморфная форма (круглой или квадратной) выходного интегрального пучка.
Количество излучающих источников предложено определять из диапазона 0,5N...1,5N, где N выбрано целочисленным из условия
N = [a•sin(Θa/2)]/[b•sin(Θb/2)],
где а и b - размеры полосковых излучающих областей излучающего источника, соответственно длинной и короткой сторон, а Θa и Θb - соответствующие углы расходимости излучения излучающего источника. Указанное позволяет при наименьшем количестве излучающих источников получить наибольшую яркость выходного интегрального пучка излучения.
Диапазон значений отклонения оптической длины Δ L от 1%, но не более 10% излучения позволяет реализовать миниатюрные, легкие, высокояркостные излучающие сумматоры с малым числом излучающих источников и имеющие эллипсообразный выходной интегральный пучок излучения. Диапазон значений отклонения оптической длины Δ L не более 1% позволяет реализовать миниатюрные, легкие, высокояркостные излучающие сумматоры с малым числом излучающих источников и имеющие практически изоморфную форму (круглую или квадратную) выходного интегрального пучка излучения.
Поставленная задача решается тем, что для каждого из по крайней мере двух лазерных диодов, расположенных симметрично относительно оптической оси средства формирования, отклонение оптической длины Δ L, мкм выбрано удовлетворяющим условию когерентности, а именно ΔL≅π•λ2/8•δλ, где λ, мкм - длина волны излучения, δλ, мкм - отклонение длины волны излучения [см., например, Коломийцев "Интерферометры", изд. "Машиностроение". Ленинградское отделение, 1979 г., с.85].
Для излучающего сумматора с лазерными диодами, подобранными рекомендованным образом, достигается значительное повышение яркости и плотности выходной мощности. При проведении экспериментальных исследований предложенного излучающего сумматора с лазерными диодами при выбранных отклонении оптической длины Δ L, мкм, и отклонении длины волны δλ, мкм, было получено сужение диаграммы направленности, т.е. увеличен коэффициент ввода в световолоконную жилу диаметром в 50 мкм с равной мощностью по всему диаметру световолокна.
При такой конструкции излучающий сумматор имеет не сфокусированный выходной интегральный пучок излучения. Предложено установить в излучающем сумматоре средства фокусировки излучения после общего средства коллимирования для получения сфокусированного выходного интегрированного пучка излучения. Оптическая ось сумматора совпадает с оптической осью средства фокусировки.
Поставленная задача решается тем, что в предложенном излучающем сумматоре с лазерными диодами, в котором для каждого из по крайней мере двух лазерных диодов, расположенных симметрично относительно оптической оси средства формирования, отклонение оптической длины Δ L выбрано удовлетворяющим условию когерентности, а именно ΔL≅π•λ2/8•δλ где λ - длина волны излучения, δλ - отклонение длины волны излучения.
Дополнительными отличиями такого предложенного излучающего сумматора являются выбор излучающих источников - лазерных диодов, причем хотя бы два из них удовлетворяют условию когерентности (определяется выбор диапазона отклонения оптической длины Δ L и отклонения длины волны δλ) введение частично отражающего средства в совокупности с предложенным ОСС с частичным перекрытием пучков излучения лазерных диодов (оптические оси излучений параллельны в ОСС). В данном устройстве, именно в ОСС, в плоскости, перпендикулярной длинным сторонам излучающих полосок или их изображений, происходит сведение частично коллимированных отдельных когерентных лучей от каждого источника в плотно упакованный интегральный пучок излучения, с заданным частичным перекрытием соседних пучков излучения лазерных диодов, по крайней мере на части пути в средстве переноса. В данной модификации излучающий сумматор имеет не сфокусированный выходной интегральный пучок излучения.
Кроме того, и установлено средство фокусировки излучения после общего средства коллимирования.
Предложено в зоне фокусировки разместить частично отражающее средство.
Экспериментально нами установлено, что даже если один из лазерных диодов обладает существенно более узким спектром излучения, практически одномодовым и одночастотным, то при частичном перекрытии пучков излучения и частичном отражении излучения от частично отражающего средства (т.е. наличии обратной связи) этот лазерный диод с упомянутым частично отражающим средством становятся "задающим лазером" для симметрично с ним расположенного лазерного диода, между которыми выполняется условие когерентности. Спектр излучения лазерного диода, на который воздействует "задающий лазер", становится значительно более узким. В ряде случаев наблюдалась одночастотность. Мы наблюдали сужение спектра всего излучающего сумматора, что также является следствием выполнения условия когерентности по крайней мере для двух лазерных диодов, симметрично расположенных относительно оптической оси средства формирования, наличия частичного перекрытия в ОСС излучений отдельных частично коллимированных излучений от каждого излучающего источника при параллельности оптических осей их излучений в предложенном ОСС и полного их перекрытия в области между фокусирующей линзой и зоной фокусировки, а также частичного отражения выходного интегрального пучка излучения от частично отражающего средства. Следовательно, наблюдалось воздействие задающего лазера на всю совокупность лазерных диодов системы. Экспериментально получено, что прохождение излучением пути по оптической системе излучающего сумматора в обратном направлении происходит с меньшими потерями. Нами был получен выходной интегральный пучок излучения повышенной спектральной яркости, однородной яркости по его сечению, с суженной диаграммой направленности, с повышенной энергетической яркостью и вследствие этого с большим коэффициентом ввода в световолоконную жилу малого диаметра (например, 50 мкм и менее).
Кроме того, в зоне фокусировки предложено поместить приемную поверхность. В этом случае зона фокусировки совпадает с выходом излучающего сумматора. Это приводит к достижению максимальной яркости.
Поставленная задача решается также тем, что плоскости приемной поверхности и частично отражающего средства выбирают совпадающими, что упрощает технологию и повышает удобство реализации излучающего сумматора.
В соответствии с изобретением поставленная задача решается также тем, что в предложенный излучающий сумматор введены по крайней мере два лазерных диода, у которых центры излучающих полосок или их изображений преимущественно расположены в плоскости, перпендикулярной длинным сторонам их излучающих полосок или их изображений, и плоскости, в которой преимущественно расположены центры излучающих полосок или их изображений других лазерных диодов, в отображающее средство дополнительно введено второе средство формирования, которое оптически соединено с упомянутыми введенными по крайней мере двумя лазерными диодами, во второе средство формирования введено по крайней мере одно оптическое средство суммирования излучения, выполненное в виде призмы, имеющей одну выходную грань, по крайней мере одну входную грань, расположенную перпендикулярно оптическим осям соответствующих пучков излучения лазерных диодов, и отражающие грани, расположенные с возможностью полного внутреннего отражения соответствующих пучков излучения лазерных диодов таким образом, что после отражения оптические оси пучков излучения лазерных диодов расположены параллельно в плоскости, параллельной коротким сторонам излучающих полосок, с возможностью частичного перекрытия пучков излучения лазерных диодов по крайней мере на части своей протяженности, а средства коллимирования излучения в перпендикулярных плоскостях во втором средстве формирования выполнены в виде средств, коллимирующих излучение в плоскостях, параллельных коротким сторонам соответствующих излучающих полосок, и размещенных со стороны лазерных диодов для каждого из них, и общего средства, коллимирующего излучение в плоскости, параллельной длинным сторонам излучающих полосок, помещенного после оптического средства суммирования, причем соответствующие оптические оси средств формирования перпендикулярны, после средств формирования на пересечении их оптических осей дополнительно введен поляризатор с возможностью пропускания коллимированного излучения от одного формирующего средства и полного внутреннего отражения коллимированного излучения от другого формирующего средства для получения результирующего суммарного излучения, при этом оптическая длина от выходного торца каждого из лазерных диодов до выхода излучающего сумматора равна (L ± Δ L), где Δ L - отклонение оптической длины, причем для каждого из по крайней мере двух лазерных диодов, расположенных симметрично относительно оптической оси второго средства формирования, отклонение оптической длины Δ L выбрано удовлетворяющим условию когерентности, а именно ΔL≅π•λ2/8•δλ где λ - длина волны излучения, δλ - отклонение длины волны излучения, а для остальных лазерных диодов, оптически соединенных со вторым формирующим средством, отклонение оптической длины Δ L принято составляющим не более 10% от L.
Дополнительными отличиями предложенной модификации излучающего сумматора являются наличие двух подсистем лазерных диодов с соответствующими средствами формирования со строгой ориентацией всех элементов в подсистемах друг другу и со строгой ориентацией подсистем одной по отношению к другой, при перпендикулярности оптических осей средств формирования друг другу. Такое расположение позволило использовать высокую степень поляризации каждого интегрального пучка, выходящего из соответствующего средства формирования для суммирования их излучений с помощью поляризатора. Предложенное объединение двух пучков высокоэффективно, реализуется с малыми потерями. В результате яркость выходного оптического интегрального пучка излучения излучающего сумматора увеличится практически вдвое.
При несоблюдении хотя бы одного из заявленных признаков изобретения степень поляризации каждого результирующего пучка, выходящего из соответствующего средства формирования, значительно снижается и использование поляризатора становится неэффективным.
В данной модификации излучающий сумматор имеет не сфокусированный выходной интегральный пучок излучения.
В следующей модификации излучающий сумматор включает средство фокусировки излучения, установленное после поляризатора, для получения сфокусированного выходного интегрального пучка излучения.
Также предложено в зоне фокусировки поместить частично отражающее средство для реализации возможности обратной связи, создания "задающего лазера".
Кроме того, в зоне фокусировки предложено поместить приемную поверхность. В этом случае зона фокусировки совпадает с выходом излучающего сумматора. Это приводит к достижению максимальной яркости.
Поставленная задача решается также тем, что плоскости приемной поверхности и частично отражающего средства выбирают совпадающими, что упрощает технологию и повышает удобство реализации излучающего сумматора.
Поставленная задача для лазерных диодов решается также тем, что для любой пары лазерных диодов, симметрично расположенных относительно оптической оси средства формирования, сочетание отклонений оптических длин Δ L, мкм, и отклонений длин волн δλ, мкм, выбраны удовлетворяющими условию когерентности, а именно ΔL≅π•λ2/8•δλ.
Данное условие в совокупности с наличием частично отражающего средства, с расположением лазерных диодов, с предложенным средством формирования излучения, создающим плотноупакованный пучок излучения, и позволяет получить интегральный пучок излучения, выходящий из средства формирования, со значительно суженной направленностью и увеличенным коэффициентом ввода в оптическое волокно малого диаметра. Это обеспечивает повышение яркости и плотности выходной мощности, концентрацию излучения в центре зоны фокусировки.
В развитие решения поставленной задачи предложено, по крайней мере, один из лазерных диодов выбирать с наименьшими углами расходимости Θa и Θb и спектральной полушириной. Кроме того, указанный лазерный диод или его изображение помещают на оптической оси средства формирования, а прочие расположены симметрично по отношению к нему и, следовательно, к оптической оси средства формирования. При этом увеличена яркость, плотность выходной мощности и возможна самонастройка сумматора. Упрощена технология изготовления.
Целесообразно в рассматриваемых случаях выбирать лазерный диод с наименьшими углами расходимости Θa и Θb и спектральной полушириной одномодовым, что вследствие возможности самонастройки сумматора приводит к увеличению яркости и плотности выходной мощности.
Для излучающего сумматора с лазерными диодами представляет интерес выбирать лазерные диоды по крайней мере с двумя различными значениями длин волн. При этом возможна модификация, в которой по крайней мере к одному формирующему средству установлено нечетное число, по крайней мере три лазерных диода, причем лазерные диоды с одинаковыми длинами волн размещены симметрично относительно оптической оси средства формирования.
Предложенная нами конструкция позволяет использовать в качестве лазерных диодов источники, работающие на разных длинах волн, получая результирующий высокояркостный пучок, содержащий различные длины волн излучения. Получено увеличение эффективности работы излучающего сумматора на разных длинах волн. При этом сохраняется компактность и вес конструкции. Такие высокояркостные излучатели с пучками излучения на различных длинах волн, распространяемыми по одной оптической оси, позволяют использовать данное излучение в телевизионных устройствах, диагностических системах и т.д.
Поставленная задача решается также тем, что ОСС сформировано со степенью перекрытия, выбранной в диапазоне 10%...40%, что приводит к повышению яркости и плотности выходной мощности.
При выбранной степени перекрытия (10%...40%) в ОСС пучки излучающих источников в значительной степени перекрываются в приемном угле после фокусирующего средства и полностью перекрываются вблизи зоны фокусировки. Зона фокусировки освещена полностью каждым лучом источника, что позволяет получить практически равномерную ее освещенность, а следовательно, и частично отражающего средства, помещенного в ней, при его наличии в соответствующей модификации.
Поставленная задача решается также тем, что указанное ОСС может быть выполнено с заданным изменением степени перекрытия по крайней мере в плоскости, перпендикулярной длинным сторонам излучающих полосок, и по крайней мере в одном направлении. При этом в одной модификации ОСС может быть сформировано с заданным изменением коэффициента преломления. Здесь создается возможность снижения потерь излучения на оптическом пути и при освещении приемной поверхности и/или частично отражающего средства, а также упрощения юстировки.
Кроме того, введение предложенного ОСС позволило снизить требования к юстировке отдельных излучающих источников, что привело к упрощению технологии изготовления изделия. При введении предложенного ОСС сумматор получен компактным, уменьшены его габариты. При этом его основные характеристики - яркость и плотность выходной мощности увеличены.
Предложены различные исполнения призмы ОСС, которые позволяют повернуть пучки излучения излучающих источников, направить их так, что оптические оси пучков будут параллельны друг другу и оптической оси средства формирования, передать пучки излучения по ОСС с минимальными потерями и эффективно реализовать частичное перекрытие пучков излучения излучающих источников для получения интегрального пучка, частично коллимированного. После этого излучение направляется в общее средство коллимирования.
В различных модификациях излучающего источника предложено в призме ОСС излучения количество входных граней выбирать равным количеству излучающих источников.
Возможны различные варианты расположения излучающих источников излучающего сумматора, входных и отражающих граней его ОСС.
В одних модификациях излучающий сумматор содержит излучающие источники, расположенные с одной стороны оптической оси средства формирования, причем соответствующие им входные грани призмы ОСС параллельны оптической оси средства формирования, а отражающие грани расположены под острым углом к соответствующим входным граням.
В других модификациях излучающий сумматор содержит излучающие источники, расположенные симметрично относительно оптической оси средства формирования, причем соответствующие им входные грани ОСС параллельны оптической оси средства формирования, а отражающие грани расположены под острым углом к соответствующим входным граням.
В следующих модификациях излучающий сумматор содержит какую-либо одну из предшествующих модификаций и дополнительно содержит излучающий источник, расположенный на оптической оси средства формирования, причем соответствующая ему входная грань ОСС перпендикулярна оптической оси средства формирования.
В предложенном первом исполнении в его первой модификации призма ОСС излучения выполнена из отдельных блоков, соединенных гранями, параллельными оптической оси средства формирования, причем в каждом из блоков сформированы отражающие грани и каждый из них выполнен в виде прямой призмы с основанием в виде прямоугольной трапеции.
В следующих модификациях первого исполнения в случаях, когда излучающий сумматор дополнительно содержит излучающий источник, расположенный на оптической оси средства формирования, а соответствующая ему входная грань ОСС перпендикулярна оптической оси средства формирования, то призма ОСС излучения выполнена из отдельных блоков, соединенных гранями, параллельными оптической оси средства формирования, причем в каждом из блоков сформированы отражающие грани и каждый из них выполнен в виде прямой призмы с основанием в виде прямоугольной трапеции, а также блок, соответствующий расположенному на оптической оси средства формирования излучающему источнику, выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда.
Во втором исполнении первой модификации призма ОСС излучения выполнена в виде по крайней мере двух параллелепипедов, каждый из которых имеет фаску, являющуюся отражающей гранью и выполненную вдоль ребра между гранями, одна из которых перпендикулярна оптической оси средства формирования, а другая грань параллельна той же оптической оси и противолежащей грани, являющейся входной, причем параллелепипеды соединены гранями, перпендикулярными оптической оси средства формирования.
В другой модификации второго исполнения призма ОСС излучения выполнена в виде по крайней мере двух параллелепипедов, каждый из которых имеет фаску, являющуюся отражающей гранью и выполненную вдоль ребра между гранями, одна из которых перпендикулярна оптической оси средства формирования, а другая грань параллельна той же оптической оси и противолежащей грани, являющейся входной, причем параллелепипеды расположены симметрично относительно оптической оси средства формирования.
Для последней модификации, в случае, когда излучающий сумматор содержит четное количество излучающих источников более двух, то параллелепипеды попарно симметрично расположены относительно оптической оси средства формирования и попарно соединены гранями, перпендикулярными той же оптической оси.
В третьем исполнении в одной модификации предложена призма ОСС излучения, выполненная в виде по крайней мере двух прямых призм, одна из которых с основанием в виде прямоугольной трапеции, и по крайней мере у одной из них в основании четырехугольник, две ее боковые грани расположены под острыми углами к входной грани и параллельны друг другу, причем одна из них отражающая, при этом призмы соединены гранями, составляющими острый угол с входной гранью.
В другой модификации третьего исполнения в случае, когда излучающий сумматор содержит четное количество излучающих источников более двух, то призма ОСС излучения выполнена в виде расположенных симметрично относительно оптической оси средства формирования двух прямых призм с основанием в виде прямоугольной трапеции и прямых призм, у которых в основании четырехугольник, а две боковые грани расположены под острыми углами к входной грани и параллельны друг другу, причем одна из них отражающая, при этом призмы попарно соединены гранями, составляющими острый угол с входной гранью.
Возможна модификация, когда оптические оси излучающих источников перпендикулярны оптической оси средства формирования. При этом центры излучающих полосок преимущественно лежат в плоскости, проходящей через оптическую ось средства формирования и она перпендикулярна длинным сторонам полосок.
Возможна другая модификация, когда между средством, коллимирующим излучение в плоскости, параллельной короткой стороне излучающей полоски, и оптическим средством суммирования введены призмы, каждая из которых выполнена в виде половины оборачивающей призменной системы Порро второго рода, иначе призмы БМ-90-90o, установленные с заданным шагом и на заданных расстояниях от оптического средства суммирования и от лазерного диода. В этом случае центры излучающих полосок преимущественно лежат в одной плоскости, но она не будет проходить через оптическую ось средства формирования и будет перпендикулярна короткой стороне излучающих полосок. Введение призмы БМ-90-90o возможно в любые предложенные модификации для достижения уменьшения габаритов, компактности изделия, удобного расположения излучающих источников.
Совокупность существенных отличительных признаков предложенных излучающих сумматоров позволила решить поставленную задачу во всех модификациях излучающих сумматоров и при использовании предложенных трех исполнений ОСС - средства переноса и суммирования излучений излучающих источников.
Обращаем внимание, что техническая реализация предложенного излучающего сумматора основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются при изготовлении лазеров, оптических систем.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами, изображенными на фигурах 1 - 6.
На фиг. 1 схематично изображены продольные сечения излучающего сумматора с источниками излучения в виде лазерных диодов в двух плоскостях: x-z и y-z.
На фиг. 2 схематично изображено продольное сечение в плоскости y-z излучающего сумматора с источниками излучения в виде лазерных диодов и приемником в виде оптического световолокна.
На фиг. 3 схематично изображено продольное сечение варианта излучающего сумматора, содержащего поляризатор.
На фиг. 4 и 5 схематично изображены вид сверху и вид сбоку призматического ОСС в первом исполнении.
На фиг. 6, 7 и 8 схематично изображены вид сверху, вид сбоку и вид с торца призматического ОСС во втором исполнении.
На фиг. 9, 10 и 11 схематично изображены вид сверху, вид сбоку и вид с торца призматического ОСС в третьем исполнении.
Варианты осуществления изобретения
В дальнейшем изобретение поясняется конкретными вариантами его исполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, изображенные на фигурах 1 - 3. Приведенный пример конструкции излучающего сумматора не является единственным и предполагается наличие других реализаций, особенности которых отражены в совокупности признаков формулы изобретения.
Предлагаемый излучающий сумматор (далее "сумматор") (см. фиг. 1) состоит из излучающих источников 1 (далее "источник"), отображающего средства 2, состоящего из средства формирования 3.
В первой модификации сумматор работает как прожектор однородного интегрального единого выходного пучка излучения. В случае второй модификации в сумматоре имеется средство фокусировки 4 и зона фокусировки 5. Условимся, что при описаниях первых трех модификаций x-ось выбрана направленной по длинной стороне полоски, а y-ось - по ее короткой стороне. Как и в устройстве прототипа [US 5463534 (DIOMED LIMITED) 1995 [Raven, 362/32, F 21 V 7/04, 10/1995]] предполагается, что соответствующие размеры длинной "а" и короткой "b" сторон излучающей полоски для всех источников 1 должны быть выбраны соответственно практически равными. Источники 1 расположены в одной плоскости, перпендикулярной направлениям длинных сторон излучающих полосок, которая, преимущественно, проходит через центр последних. В качестве источников 1 нами в обеих модификациях были выбраны лазерные диоды. Для получения изоморфного пучка излучения отношение Δ L/L выбрано менее 1%, а количество лазерных диодов 1 выбрано из диапазона 0,5N...1,5N, где N рассчитано по формуле N = [a•sin(Θa/2)]/[b•sin(Θb/2)], где а и b - размеры излучающих полосок лазерных диодов 1, соответственно длинной и короткой сторон, а Θa и Θb - углы расходимости, соответственно в плоскостях, параллельных длинной и короткой сторонам излучающих полосок лазерных диодов 1. При размерах излучающей полоски (100 х 1) мкм2 в одном из вариантов можно выбрать 13 лазерных диодов 1 для получения изоморфного поперечного сечения выходного излучения. При нечетном числе лазерных диодов 1 один из них обычно располагают на оптической оси средства формирования излучения, а остальные - симметрично оптической оси средства формирования излучения. (Под оптической осью средства формирования излучения принята оптическая ось средства переноса (совпадающая с осью симметрии) и, как продолжение ее, оптическая ось коллимирующего средства, установленного после средства переноса.) Проведенные расчеты показали, что возможно получить практически квадратное поперечное сечение выходного излучения при меньшем числе лазерных диодов 1, сохраняя его требуемую высокую яркость.
Средство формирования 3 состоит из коллимирующих в плоскости, параллельной y-оси, средств 6, средства переноса и суммирования излучения - ОСС 7 и коллимирующего в плоскости, параллельной x-оси, средства 8. В общем случае оптическая длина (L± Δ L) от каждого источника до зоны фокусировки может быть выбрана такой, что отклонение оптической длины Δ L составляет до 10% от L. В случаях, когда Δ L/L превышает 1%, 2%...8% и до 10% возможно изготавливать миниатюрные сумматоры на малое число источников излучения при сохранении высокой яркости выходного интегрального пучка анаморфного излучения (эллиптического сечения).
Во второй модификации, когда имеется средство фокусировки после средства коллимирования в плоскости, параллельной длинным сторонам полосок, приемная поверхность 10 может быть помещена как в зоне фокусировки 5, так и далее по оптической оси. В обоих случаях (в последнем при наличии необходимой оптики) приемная поверхность 10 будет полностью заполнена всеми пучками излучения источников 1.
Предлагаемый излучающий сумматор по третьей модификации (см. фиг. 2) составлен из следующих элементов. Излучающими источниками 1 являются лазерные диоды 1, которые расположены в одной плоскости, перпендикулярной направлениям длинных сторон излучающих полосок и преимущественно проходящей через центры последних. В данном случае нами выбрано 13 лазерных диодов 1. Расчет их количества был проведен при условии их выбора из диапазона 0.5N... 1.5N, где N рассчитано по формуле N = [a•sin(Θa/2)]/[b•sin(Θb/2)], где а и b - размеры полосковых излучающих областей излучающего источника, соответственно длинной и короткой сторон, а Θa и Θb - соответствующие углы расходимости излучения источника, соответственно в плоскостях, параллельных длинной и короткой сторонам излучающих полосок. При размерах излучающей полоски (100х1) мкм2 было выбрано 13 источников излучения. Лазерные элементы (на фигурах не показаны) лазерных диодов 1 изготовлены из лазерной гетероструктуры GaAs - InGaAs с длиной волны излучения λ = 670 ± 2 нм при разбросе от диода к диоду в пределах ± 3 нм. Условимся, что длинная сторона совпадает с x-осью, а короткая - с y-осью (аналогично первой модификации). Плоскость, в которой они расположены, является плоскостью y-z и проходит через центры их излучающих полосок. Один из них был расположен на оптической оси средства формирования излучения, а остальные - симметрично оптической оси средства формирования излучения. Под оптической осью средства формирования излучения в данном конкретном примере принята ось симметрии системы лазерных диодов, совпадающая с оптической осью средства формирования симметричной конструкции, которая совпадает с оптической осью общего коллимирующего средства, установленного после ОСС, и оно является общим для всех пучков излучений лазерных диодов. Нами для одной пары лазерных диодов 1, а именно вторых от центрального, симметрично расположенных относительно оптической оси средства формирования, отклонение оптической длины Δ L, мкм, и отклонение длины волны δλ, мкм, выбраны удовлетворяющими условию когерентности, а именно ΔL≅π•λ2/8•δλ Оптическая длина (L ± Δ L) от каждого источника до зоны фокусировки 5 выбраны такими, что отклонение оптической длины Δ L, мкм, составляет 0,8 ± 0,2% от L.
Отображающее средство 2 составлено из средств формирования 3 и фокусировки 4. Средство формирования 3 составлено, начиная от лазерных диодов 1, из системы цилиндрических линз 6, коллимирующих излучение в плоскости, параллельной y-оси, и помещенных по одной на каждой оптической оси лазерного диода 1 и имеющих фокальное расстояние 0,26±0,02 см, призмы ОСС 7, выполненной в виде монолитного стеклянного блока (описание призмы будет дано по тексту дальше), и цилиндрической линзы 8, коллимирующей излучение в плоскости, параллельной x-оси, с фокальным расстоянием 4,6 ± 0,2 см. Далее установлено средство фокусировки 4 - фокусирующая линза 4, имеющая равные (± 1 мкм) фокальные расстояния по x- и y-осям, с фокусным расстоянием 2,5 ± 0,03 см. Далее на оптической оси установлен световод 12, торец которого помещен в зону фокусировки 5 и на нем нанесено частично отражающее покрытие 9 с коэффициентом отражения R порядка 7 ± 0,5%.
Излучающий сумматор работает следующим образом. При подаче рабочего тока на лазерные диоды 1 возникает генерация когерентного излучения с заранее определенными длиной волны или длинами волн и соответствующими спектральной полушириной. По оптическим путям, указанным на фиг. 1 стрелочками, направленными от источников 1 к зоне фокусировки 5, излучения каждого источника 1 достигают приемной поверхности 10, помещенной в зоне фокусировки 5. При этом часть излучения отражается от частично отражающего средства 9, выполненного в виде покрытия 9 на приемной поверхности 10, и возвращается в отображающее средство 2, но по другим оптическим путям, которые на фиг. 1 показаны стрелочками, направленными в обратном направлении. На фиг. 1 показано сплошной линией излучение, исходящее от излучающего источника 1, второго сверху по расположению на чертеже фиг. 1, отражение от частично отражающего средства 9 и его частичный возврат к источнику 1, второму снизу по расположению на чертеже фиг. 1. Пунктирной линией изображен путь излучения от центрального источника 1. Заштрихованные области являются примерами областей перекрытия пучков излучения источников 1.
Частично сколлимированные (в одной плоскости) пучки излучения от каждого лазерного диода 1 отражаются на требуемый угол отражающей гранью 11. При этом пучки распространяются в области ОСС (в массе призмы или по воздуху) так, что их оптические оси параллельны друг другу и оптической оси средства формирования. Соседние пучки изучения частично, на 25 ± 5%, перекрываются в ОСС 7. Излучение, сколлимированное в двух перпендикулярных плоскостях, поступает на средство фокусировки 4 - на фокусирующую линзу 4, имеющую равные (± 1 мкм) фокальные расстояния по x- и y-осям, с фокусным расстоянием 2,5 ± 0,03 см. После прохождения фокусирующей линзы 4 в приемном угле приемной поверхности 10 отдельные пучки практически полностью смешаны как по x-оси, так и по y-оси, полностью освещая каждым исходным пучком излучения всю приемную поверхность 10 - квадратное пятно 40х40 мкм2 с расходимостью в перпендикулярных плоскостях, равной 14±0,2 мрад. Приемной поверхностью 10 является торец световолокна 12 диаметром 50 мкм с числовой апертурой приемного волокна NA, равной 0,21±0,01. Частично отражающее средство 9 нанесено в виде покрытия на торец оптического световолокна 12. Экспериментально наблюдали сужение спектра излучения по сравнению со спектром, получаемым от сумматоров рассмотренных первой и второй модификаций, в которых отсутствовало частично отражающее средство 9.
Предложенный сумматор позволил получить рекордные значения - 10 Вт в 50-мкм сердцевине с апертурой NA = 0.22 оптического волокна 12. Это соответствует яркости 40 МВт/(ср•см2). Необходимо отметить, что энергетическая яркость типичного лазерного диода более 100 МВт/(ср•см2). Видно, что энергетическая яркость нашей системы из многих лазерных диодов 1 стремится к этому значению. В оптическое многомодовое 50-мкм оптическое волокно 12 возможно ввести мощность излучения с КПД более 50%.
Предлагаемый излучающий сумматор по четвертой модификации (см. фиг. 3) составлен из двух систем лазерных диодов 1, являющихся источниками излучения 1, и двух средств формирования 3 к каждой системе лазерных диодов 1. Лазерные диоды 1 расположены в двух плоскостях, перпендикулярных между собой, причем каждая плоскость перпендикулярна направлениям длинных сторон соответствующих излучающих полосок и, преимущественно, проходит через центр последних. Каждое средство формирования 3 состоит из системы средств 6, коллимирующих в плоскостях, параллельных короткой стороне излучающей полоски, из ОСС 7 и средства 8, коллимирующего в плоскости, параллельной длинной стороне полоски. Соответствующие оптические оси средств формирования 3 пересекаются после средств формирования 3 и до средства фокусировки 4 и размещены в соответствующих плоскостях расположения центров излучающих полосок лазерных диодов 1, которые (плоскости) пересекаются после средств формирования 3. Указанные оптические оси средств формирования 3 пересекаются на линии пересечения плоскостей расположения центров излучающих полосок лазерных диодов 1. Средство поляризации выполнено в виде поляризатора 13, в данном случае призменного, размещенного своей плоскостью поляризации на пересечении указанных оптических осей средств формирования 3. При этом складываются интегральные пучки излучений, различно поляризованных, выходящих из каждого средства формирования 3. После поляризатора 13 установлено средство фокусировки 4 и в зоне фокусировки 5 размещено частично отражающее средство 9. Нами для одной пары лазерных диодов 1, а именно вторых от центрального, симметрично расположенных относительно оптической оси средства формирования 3, отклонение оптической длины L, мкм, и отклонение длины волны δλ, мкм, выбраны удовлетворяющими условию когерентности, а именно ΔL≅π•λ2/8•δλ. Оптические длины (L ± Δ L) от каждого источника 1 до зоны фокусировки 5 выбраны такими, что отклонение оптической длины Δ L, мкм, составляет 0,8 ± 0,2% от L. Все лазерные диоды 1 и элементы оптической системы выбраны с параметрами, аналогичными выбранным в предшествующем примере. Получены результаты, показавшие превышение яркости почти на 80% по сравнению с сумматором без поляризатора 13.
В предложенных сумматорах могут быть использованы в качестве ОСС 7 призматические системы 7 первого, второго и третьего исполнения, изображенные на фигурах 2, 4-11, а также другие модификации, в которых можно будет обеспечить требуемое перекрытие пучков излучения лазерных диодов 1, параллельность их оптических осей после отражения от отражающих граней 11 и для всего оптического пути излучения - диапазон изменения Δ L/L.
Для рассмотренных выше примеров исполнения был использован ОСС 7, изображенный на фиг. 2. Он выполнен из единой монолитной стеклянной призмы 7 с отражающими гранями 11, входными гранями 14 и одной выходной гранью 15. Один излучающий источник 1 расположен на оптической оси средства формирования, и по шесть с каждой стороны симметрично той же оптической оси. Частично сколлимированное излучение под прямым углом к входной грани 14 направляется к отражающей грани 11 и отражается от нее под углом полного внутреннего отражения. Отражающиеся грани 11 расположены под таким острым углом к входным, чтобы после отражения оптические оси пучков излучения лазерных диодов были параллельны. Отражающие грани 11 расположены на таком расстоянии друг от друга, чтобы было обеспечено перекрытие пучков излучения 25 ± 5% при прохождении пути по ОСС. При этом величина Δ L/L порядка 1%.
Призма ОСС 7 первого исполнения изображена на фиг. 4 и 5. Она выполнена из отдельных блоков. Количество входных граней 14 равно количеству источников 1. Входная грань 14, соответствующая источнику 1, расположенному на оптической оси средства формирования 3, перпендикулярна указанной оптической оси. Остальные входные грани 14 параллельны той же оптической оси. Количество отражающих граней 11 равно количеству источников 1, расположенных симметрично относительно оптической оси средства формирования 3. Оптические оси лазерных диодов 1 перпендикулярны указанной оптической оси, причем отражающие грани 11 расположены под острым углом к соответствующим входным граням 14. В данной конструкции отражающими гранями 11 вырезается наиболее яркая часть пучков лазерных диодов 1. Выходная грань 15 единая для пучков всех источников 1. Блоки соединены гранями 16, параллельными оптической оси средства формирования. Центральный блок выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда 17, а в симметрично расположенных по отношению к нему блоках 18 сформированы отражающие грани 11. Каждый из них выполнен в виде прямой призмы 18 с основанием в виде прямоугольной трапеции.
Призма ОСС 7 во втором исполнении изображена на фиг. 6, 7, 8. Для сумматора, при наличии в нем по крайней мере двух источников 1, предложено выполнять призму ОСС 7 в виде по крайней мере двух параллелепипедов 19, каждый из которых имеет фаску 20, являющуюся отражающей гранью 11. Фаска 20 выполнена вдоль ребра между гранями 21 и 22, одна 21 из которых перпендикулярна оптической оси средства формирования 3, а другая грань 22 параллельна той же оптической оси и противолежащей грани 14, являющейся входной.
При выборе четного количества источников 1 (более двух) они будут попарно симметрично расположены относительно оптической оси средства формирования 3. Параллелепипеды 19 будут попарно расположены относительно той же оптической оси и попарно соединены гранями 21, перпендикулярными той же оптической оси. В изображенном на фиг. 6 - 7 ОСВ 7 излучение будет суммироваться в воздухе, но при этом степень перекрытия пучков излучения можно будет достичь невысокую и выходной интегральный пучок будет менее однородным. При выполнении фаски 20 на другом ребре той же грани 22 излучение будет собираться в стекле, т.е. аналогично предшествующему случаю.
На фиг. 9-11 представлена сборка оптического сумматора с призмой ОСС 7 в третьем исполнении. Сумматор содержит по крайней мере два источника 1 и призма ОСС 7 выполнена в виде по крайней мере двух прямых призм. Прямые призмы 23 имеют в основании четырехугольник. Две ее боковые грани 24 и 25 расположены под острыми углами к входной грани 14, параллельной оптической оси средства формирования 3. Данные грани 24 и 25 параллельны друг другу, одна из которых отражающая 11 в области угла 26, превышающего 90 градусов. Прямая призма 27 с основанием в виде прямоугольной трапеции имеет одну грань выходную 16, перпендикулярную оптической оси средства формирования 3, и противоположную ей отражающую 11, соединенную с гранью 25 прямой призмы 23. В такой модификации от отражающей грани 11 можно отразить весь лазерный пучок либо часть его, в зависимости от расположения лазерных диодов 1. Входные грани 14 параллельны оптической оси средства формирования 3.
При выборе четного количества источников 1 (более двух) и при попарно симметричном их расположении относительно оптической оси средства формирования 3 они попарно соединены гранями 25 и 24, составляющими острый угол с входной гранью 14.
Кроме того, для всех рассмотренных четырех модификаций сумматора и для любого исполнения призмы ОСС 7 предложено (фиг. 9-11) между каждым средством 6, коллимирующим излучение в плоскости, параллельной короткой стороне излучающей полоски, и ОСС 7 ввести призмы 28, каждая из которых выполнена в виде половины оборачивающей призменной системы Порро второго рода, иначе призмы БМ-90-90o, установленными с заданным шагом и на заданных расстояниях от входной грани 14 ОСС 7 и от каждого соответствующего лазерного диода 1. При помощи призмы 28 изображение излучающей полоски преобразуется из горизонтального в вертикальное. При сборке сумматора очень удобно, что призмы 28 можно перемещать, что значительно облегчает юстировку. Для третьего исполнения удобство конструкции с призмой 28 заключается в том, что при юстировке можно настроить узел так, что будет отражен полностью весь пучок излучения от соответствующего лазерного диода 1. В другом случае может быть отражена только заданная часть пучка излучения. Такая конструкция обеспечивает очень плотную упаковку элементов сумматора. Значительно уменьшены его габариты.
Кроме того, источники 1 могут располагаться не симметрично по отношению к ОСС 7 (возможно для вариантов первого и второго). В таком случае и ОСС 7 будет также не симметричным. Такая призма 7 в первом исполнении будет иметь набор блоков прямых призм 18 с основанием в виде трапеции с одной стороны блока - параллелепипеда 17. Блока параллелепипеда 17 также может не быть, если отсутствует источник 1, расположенный напротив его торца (входной грани 14). Во втором исполнении блоки параллелепипедов 19 будут расположены в один ряд. В третьем исполнении также в один ряд будут расположены прямая призма 26 с основанием в виде четырехугольника и прямая призма 27 с основанием в виде трапеции.
Следует заметить, что для каждой рассмотренной модификации, так и возможных других модификаций, которые не выходят за пределы защиты предложенного здесь изобретения, каждой входной грани ОСС (или входной грани призмы БМ-90-90o) могут соответствовать также несколько источников 1, пучки излучения которых сколлимированы, т. е. на любую входную грань призмы попадает сколлимированный пучок излучения от одного или нескольких источников 1, что равнозначно.
Таким образом, нами получена значительно увеличенная плотность выходной мощности, повышенная яркость интегрального, однородного с узкой направленностью пучка излучения от малого количества источников излучения с возможностью их работы на разных длинах волн. Упрощена юстировка источников и технология изготовления всего изделия, включая его элементы.
Промышленная применимость
Излучающие сумматоры находят широкое применение для накачки твердотельных лазеров, при создании лазерного технологического оборудования, измерительных устройств, медицинского оборудования, устройств для маркировки, средств связи, систем передачи энергии и информации на большие расстояния.
Формула изобретения: 1. Излучающий сумматор, включающий излучающие источники с излучающими полосками, имеющими прямоугольное сечение, отображающее средство, помещенное между излучающими источниками и выходом излучающего сумматора и содержащее средство формирования излучения, включающее средства коллимирования излучения в перпендикулярных плоскостях, параллельных сторонам излучающих полосок, отличающийся тем, что центры излучающих полосок или их изображений преимущественно расположены в плоскости, перпендикулярной длинным сторонам излучающих полосок или их изображений, а оптическая длина от выходного торца каждого из излучающих источников до выхода излучающего сумматора равна (L±ΔL), где ΔL - отклонение оптической длины, составляющее не более 10% от L, при этом в средство формирования дополнительно введено по крайней мере одно оптическое средство суммирования излучения, выполненное в виде призмы, имеющей одну выходную грань, по крайней мере одну входную грань, расположенную перпендикулярно оптическим осям соответствующих пучков излучения излучающих источников, и отражающие грани, расположенные с возможностью полного внутреннего отражения соответствующих пучков излучения излучающих источников таким образом, что после отражения оптические оси пучков излучения излучающих источников расположены параллельно в плоскости, параллельной коротким сторонам излучающих полосок, с возможностью частичного перекрытия пучков излучения излучающих источников по крайней мере на части своей протяженности, а средства коллимирования излучения выполнены в виде средств, коллимирующих излучение в плоскостях, параллельных коротким сторонам соответствующих излучающих полосок, и размещенных со стороны излучающих источников для каждого из них, и общего средства, коллимирующего излучение в плоскости, параллельной длинным сторонам полосок, и помещенного после оптического средства суммирования излучения.
2. Излучающий сумматор по п.1, отличающийся тем, что отклонение оптической длины ΔL выбрано составляющим 2-8% от L.
3. Излучающий сумматор по п.1 или 2, отличающийся тем, что излучающие источники выполнены в виде полосковых суперлюминесцентных диодов.
4. Излучающий сумматор по п.1 или 2, отличающийся тем, что излучающие источники выполнены в виде полосковых лазерных диодов.
5. Излучающий сумматор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что включает средство фокусировки излучения, установленное после общего средства коллимирования излучения.
6. Излучающий сумматор по п.5, отличающийся тем, что в зоне фокусировки помещена приемная поверхность.
7. Излучающий сумматор по п.4, отличающийся тем, что для каждого из по крайней мере двух лазерных диодов, симметрично расположенных относительно оптической оси средства формирования, отклонение оптической длины ΔL выбрано удовлетворяющим условию когерентности, а именно, ΔL≅π•λ2/8•δλ, где λ - длина волны излучения, δλ - отклонение длины волны излучения.
8. Излучающий сумматор по п.7, отличающийся тем, что включает средство фокусировки излучения, установленное после общего средства коллимирования излучения.
9. Излучающий сумматор по п.8, отличающийся тем, что в зоне фокусировки размещено частично отражающее средство.
10. Излучающий сумматор по п.7, отличающийся тем, что введены по крайней мере два лазерных диода, у которых центры излучающих полосок или их изображений преимущественно расположены в плоскости, перпендикулярной длинным сторонам их излучающих полосок и плоскости, в которой преимущественно расположены центры излучающих полосок других лазерных диодов, в отображающее средство дополнительно введено второе средство формирования, которое оптически соединено с упомянутыми введенными по крайней мере двумя лазерными диодами, во второе средство формирования введено по крайней мере одно оптическое средство суммирования излучения, выполненное в виде призмы, имеющей одну выходную грань, по крайней мере одну входную грань, расположенную перпендикулярно оптическим осям соответствующих пучков излучения лазерных диодов, и отражающие грани, расположенные с возможностью полного внутреннего отражения соответствующих пучков излучения лазерных диодов таким образом, что после отражения оптические оси пучков излучения лазерных диодов расположены параллельно в плоскости, параллельной коротким сторонам излучающих полосок, с возможностью частичного перекрытия пучков излучения лазерных диодов по крайней мере на части своей протяженности, а средства коллимирования излучения в перпендикулярных плоскостях во втором средстве формирования выполнены в виде средств, коллимирующих излучение в плоскостях, параллельных коротким сторонам соответствующих излучающих полосок, и размещенных со стороны лазерных диодов для каждого из них, и общего средства, коллимирующего излучение в плоскости, параллельной длинным сторонам излучающих полосок, помещенного после оптического средства суммирования, причем соответствующие оптические оси средств формирования перпендикулярны, после средств формирования на пересечении их оптических осей дополнительно введен поляризатор с возможностью пропускания коллимированного излучения от одного формирующего средства и полного внутреннего отражения коллимированного излучения от другого формирующего средства для получения результирующего суммарного излучения, при этом оптическая длина от выходного торца каждого из лазерных диодов до выхода излучающего сумматора равна (L±ΔL), где ΔL - отклонение оптической длины, причем для каждого из по крайней мере двух лазерных диодов, расположенных симметрично относительно оптической оси второго средства формирования, отклонение оптической длины ΔL выбрано удовлетворяющим условию когерентности, а именно, ΔL≅π•λ2/8•δλ, где λ - длина волны излучения, δλ - отклонение длины волны излучения, а для остальных лазерных диодов, оптически соединенных со вторым формирующим средством, отклонение оптической длины ΔL принято составляющим не более 10% от L.
11. Излучающий сумматор по п.10, отличающийся тем, что включает средство фокусировки излучения, установленное после поляризатора.
12. Излучающий сумматор по п.11, отличающийся тем, что в зоне фокусировки помещено частично отражающее средство.
13. Излучающий сумматор по п.8, или 9, или 11, или 12, отличающийся тем, что в зоне фокусировки помещена приемная поверхность.
14. Излучающий сумматор по п.9 или 12, отличающийся тем, что плоскости приемной поверхности и частично отражающего средства выбраны совпадающими.
15. Излучающий сумматор по любому из п.7 - 14, отличающийся тем, что для любой пары лазерных диодов, симметрично расположенных относительно оптической оси средства формирования, для каждого лазерного диода данной пары отклонение оптической длины ΔL и отклонение длины волны δλ выбраны удовлетворяющими условию когерентности, а именно, ΔL≅π•λ2/8•δλ.
16. Излучающий сумматор по п.15, отличающийся тем, что по крайней мере один из лазерных диодов выбран с наименьшими углами расходимости Θa и Θb и спектральной полушириной.
17. Излучающий сумматор по п.16, отличающийся тем, что указанный лазерный диод или изображение его излучающей полоски помещены на оптической оси средства формирования, а прочие расположены симметрично по отношению к нему.
18. Излучающий сумматор по п.16 или 17, отличающийся тем, что лазерный диод с наименьшими углами расходимости Θa и Θb и спектральной полушириной выполнен одномодовым.
19. Излучающий сумматор по любому из пп.4, 7 - 18, отличающийся тем, что по крайней мере два лазерных диода выбраны с различными значениями длин волн.
20. Излучающий сумматор по п.19, отличающийся тем, что выбрано нечетное число лазерных диодов, причем лазерные диоды с одинаковьми длинами волн размещены симметрично относительно оптической оси сумматора.
21. Излучающий сумматор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что оптическое средство суммирования излучения сформировано со степенью перекрытия, выбранной в диапазоне 10-40%.
22. Излучающий сумматор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что оптическое средство суммирования излучения выполнено с заданным изменением степени перекрытия по крайней мере в плоскости, перпендикулярной длинным сторонам излучающих полосок, и по крайней мере в одном направлении.
23. Излучающий сумматор по п. 22, отличающийся тем, что оптическое средство суммирования излучения сформировано с заданным изменением коэффициента преломления.
24. Излучающий сумматор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что количество излучающих источников определено из диапазона 0,5N-1,5N, где N выбрано целочисленным из условия
N = [a•sin(Θa/2)]/[b•sin(Θb/2)],
где а и b - размеры, соответственно, длинной и короткой сторон излучающей полоски;
Θa и Θb - соответствующие углы расходимости излучения излучающего источника.
25. Излучающий сумматор по п.1, отличающийся тем, что в призме оптического средства суммирования излучения количество входных граней равно количеству излучающих источников.
26. Излучающий сумматор по п.25, отличающийся тем, что содержит излучающие источники, расположенные с одной стороны оптической оси средства формирования, причем соответствующие им входные грани оптического средства суммирования параллельны оптической оси средства формирования, а отражающие грани расположены под острьм углом к соответствующим входным граням.
27. Излучающий сумматор по п.25, отличающийся тем, что содержит излучающие источники, расположенные симметрично относительно оптической оси средства формирования, причем соответствующие им входные грани оптического средства суммирования параллельны оптической оси средства формирования, а отражающие грани расположены под острьм углом к соответствующим входным граням.
28. Излучающий сумматор по п.26 или 27, отличающийся тем, что дополнительно содержит излучающий источник, расположенный на оптической оси средства формирования, причем соответствующая ему входная грань оптического средства суммирования перпендикулярна оптической оси средства формирования.
29. Излучающий сумматор по п.26 или 27, отличающийся тем, что призма оптического средства суммирования излучения выполнена из отдельных блоков, соединенных гранями, параллельными оптической оси средства формирования, причем в каждом из блоков сформированы отражающие грани и каждый из них выполнен в виде прямой призмы с основанием в виде прямоугольной трапеции.
30. Излучающий сумматор по п.29, отличающийся тем, что дополнительно содержит излучающий источник, расположенный на оптической оси средства формирования, причем соответствующая ему входная грань оптического средства суммирования перпендикулярна оптической оси средства формирования, а блок, соответствующий расположенному на оптической оси средства формирования излучающему источнику, выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда.
31. Излучающий сумматор по п.26, отличающийся тем, что призма оптического средства суммирования излучения выполнена в виде по крайней мере двух параллелепипедов, каждый из которых имеет фаску, являющуюся отражающей гранью и выполненную вдоль ребра между гранями, одна из которых перпендикулярна оптической оси средства формирования, а другая грань параллельна той же оптической оси и противолежащей грани, являющейся входной, причем параллелепипеды соединены гранями, перпендикулярными оптической оси средства формирования.
32. Излучающий сумматор по п.27, отличающийся тем, что призма оптического средства суммирования излучения выполнена в виде по крайней мере двух параллелепипедов, каждый из которых имеет фаску, являющуюся отражающей гранью и выполненную вдоль ребра между гранями, одна из которых перпендикулярна оптической оси средства формирования, а другая грань параллельна той же оптической оси и противолежащей грани, являющейся входной, причем параллелепипеды расположены симметрично относительно оптической оси средства формирования.
33. Излучающий сумматор по п.32, отличающийся тем, что содержит четное количество излучающих источников более двух, а параллелепипеды попарно симметрично расположены относительно оптической оси средства формирования и попарно соединены гранями, перпендикулярными той же оптической оси.
34. Излучающий сумматор по п.26, отличающийся тем, что призма оптического средства суммирования излучения выполнена в виде по крайней мере двух прямых призм, одна из которых с основанием в виде прямоугольной трапеции, и по крайней мере у одной из них в основании четырехугольник, две ее боковые грани расположены под острыми углами к входной грани и параллельны друг другу, причем одна из них отражающая, при этом призмы соединены гранями, составляющими острый угол с входной гранью.
35. Излучающий сумматор по п.27, отличающийся тем, что содержит четное количество излучающих источников более двух, а призма оптического средства суммирования излучения выполнена в виде расположенных симметрично относительно оптической оси средства формирования двух прямых призм с основанием в виде прямоугольной трапеции и прямых призм, у которых в основании четырехугольник, а две боковые грани расположены под острыми углами к входной грани и параллельны друг другу, причем одна из них отражающая, при этом призмы попарно соединены гранями, составляющими острый угол с входной гранью.
36. Излучающий сумматор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что оптические оси излучающих источников перпендикулярны оптической оси средства формирования.
37. Излучающий сумматор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что между средством, коллимирующим излучение в плоскости, параллельной короткой стороне излучающей полоски, и оптическим средством суммирования введены призмы, каждая из которых выполнена в виде половины оборачивающей призменной системы Порро второго рода.