CC BY
134
УДК 535.42
УМЕНЬШЕНИЕ РАСХОДИМОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ ШИРОКОПОЛОСКОВОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА С ПОМОЩЬЮ ДИФРАКЦИОННОЙ
КОРРЕКЦИИ
© 2002 О.А. Заякин, P.P. Летфуллин Самарский филиал Физического института РАН им. П.Н. Лебедева
Описан способ уменьшения расходимости излучения широкопоскового, порядка ста микрометров, полупроводникового инжекционного лазера с помощью дифракционной коррекции. Приведены оптическая схема, алгоритм и результаты расчетов, а также данные эксперимента, в котором была успешно исправлена эллиптичность лазерного пучка. Достигнута хорошая пропускная способность, не уступающая традиционным способам. Указано, что для полного исправления пучка в данной задаче необходимо использовать эффект дифракционной многофокальной фокусировки излучения. Отмечена возможность еще одного положительного эффекта исследуемого способа -сглаживание лазерного пучка, актуальное для многомодового излучения с высшими поперечными модами.
Полупроводниковые лазеры применяются в широком классе прикладных задач в области лазерных технологий. Эти лазеры имеют небольшие размеры, излучают в широком спектральном диапазоне, эффективно преобразуют электрическую мощность в оптическую, с КПД более чем 25%, при этом потребляют низкую мощность, которую может обеспечить электрическая батарейка; у них довольно легко модулируется излучение, причем в диапазоне до высоких частот, порядка гигагерц, и это делается без внешних устройств. Все эти достоинства делают полупроводниковые лазеры поистине идеальным источником когерентного излучения для выполнения разнообразных научных и технологических задач.
Однако полупроводниковые лазеры имеют и недостатки, к числу которых относятся большая и неравномерная расходимость выходного пучка, а также нерегулярный характер распределения интенсивности. К тому же все еще встречается немало лазеров с сильным астигматизмом. Поэтому сейчас большое внимание уделяют созданию схем исправления пространственных характеристик излучения этих лазеров. Значительный интерес к этой задаче связан с разработкой эффективных методов ввода излучения широкоапертурных пучков в оптоволокно [1-3], поскольку асимметричность и астигматизм лазерно-
го пучка резко снижают долю энергии лазера, вводимого в световод, до 20-30%.
В данной статье описан способ уменьшения расходимости излучения широкополосковых, порядка ста микрометров, полупроводниковых инжекционных лазеров типа таких, которые описаны в [4-6], с помощью дифракционной коррекции. Приведены оптическая схема, алгоритм и результат расчета, а также результаты эксперимента.
Использованный способ основан на явлении дифракции, подобно эффекту дифракционной многофокальной фокусировки излучения [7-12]. Сущность этого эффекта заключается в использовании оптической силы диафрагм, расположенных в зоне Френеля друг за другом на главной оптической оси пучка света или невидимого излучения, для его фокусировки. Размещение диафрагмы в области вблизи каустики сфокусированного лазерного пучка существенно изменяет его расходимость при небольших, по сравнению с исходным пучком, потерях мощности, гораздо меньших, чем при типичной пространственной фильтрации. Расходимость изменяется с таким расчетом, чтобы сделать лазерный пучок более симметричным в своих поперечных сечениях, как это имеет место у других лазеров, например, у гелий-неонового.
Исследуемый способ имеет преимущество перед традиционными рефрактометри-
ческими [13-15], благодаря большей дешевизне и технологичности изготовления щелей, по сравнению с применяемыми сейчас оптическими элементами, при том, что для оптики вообще характерны большая трудоемкость и сложность автоматизации процессов изготовления. Это особенно актуально при производстве полупроводниковых приборов, к которым относятся полупроводниковые лазеры, потому что эти изделия имеют большой разброс пространственных характеристик излучения. Как следствие, требуется подбор оптики с индивидуальными величинами параметров.
Рассмотрим выбранную нами оптическую схему. Для решения данной задачи, как показали расчеты, достаточно одной щелевой диафрагмы. Оптическая схема (рис.1) состояла из следующих элементов. Полупроводниковый лазер 1. Тип лазера - аналог ИЛПН-114-1Б (изготовитель - НПО "Восход", г. Калуга). Использованный опытный образец лазера был изготовлен в НИИ "Полюс", г. Москва. Параметры лазера: максимальная мощность 50 мВт; режим работы - непрерывный. Длина волны лазера 0,82-0,92 мкм. Пространственные параметры лазерного пучка следующие. Минимальный угол расходимости 5°. Он измеряется в плоскости границы р-п-пе-рехода, то есть, перпендикулярно направлению тока накачки через лазер. На рис.1 и 2 эта плоскость 70У. Максимальный угол рас-
ходимости 50°. На рисунках это плоскость 70Х. Угол измеряется в перпендикулярном направлении. Значение угла расходимости здесь определяется как половина угла расходимости по уровню интенсивности 1/е2, то есть 13%, от максимальной, которая имеет место в центре пучка. Расчетные значения углов расходимости, которые приводятся ниже, определялись именно так. Под полным углом расходимости понимается удвоенное значение расчетных углов, то есть, по обе стороны от главной оптической оси. Астигматическая разность (расстояние астигматизма) была 60±2 мкм. Эта величина была измерена способом, описанным в [16], его автором
А.К. Чернышевым. Далее, в оптической схеме стоял коллимирующий объектив 2. В качестве него использовался микроскопный объектив, изготовленный в ЛОМО (бывшем Ленинградском оптико-механическом объединении). Его параметры: фокусное расстояние 16,0 мм для ближней инфракрасной области спектра; числовая апертура 0,4; диаметр входной апертуры 6 мм, выходной апертуры 13 мм, рабочий отрезок равен 3 мм. Кроме регулируемой щелевой диафрагмы, которая в описываемой схеме играла роль оптического дифракционного элемента 3, также присутствовали фотоаппарат 4, белый рассеивающий экран 5 и телекамера 6, необходимые для наблюдения и записи лазерного пучка в его поперечном сечении. Регули-
Рис.1. Оптическая схема эксперимента
Сечение пучка в плоскости YOZ
Сечение пучка в плоскости щели 1 У
А
/ I
[22
Рис.2. Расчетные параметры дифракционной коррекции
руемая щелевая диафрагма имела микрометрическую подвижку для контроля ширины щели с погрешностью ±0,005 мкм. Перед экспериментом щелевая диафрагма был проверена с помощью микроскопа типа МИС-11 (изгот. - ЛОМО), имеющего предметный столик с микрометрической подвижкой. Для измерения потерь света в данной схеме использовался фотодиодный измеритель мощности 7 [17] на основе кремниевого фотодиода типа ФД-24К [18], имеющего большую фоточув-ствительную площадку круглой формы с площадью 1 см2. Погрешность измерения мощности света, связанная с нелинейностью, составляла около 3%. Отметим, что при измерениях учитывались фоновая засветка и тем-новой ток фотодиода, а также изменения мощности излучения лазера, которые, впрочем, были незначительными. Мощность излучения лазера контролировалась с помощью второго фотодиодного измерителя 8 такого же типа. Для согласования рабочего диапазона фотодиода, а также чувствительности фотопленки и телекамеры с интенсивностью измеряемого пучка были использованы светофильтры 9, 10 типа СЗС.
На рис.1 на виде А - А показан вид спереди полупроводникового лазера. Жирной чертой показано поперечное сечение его выходного пучка. Оно имело сильно вытянутую,
нитевидную форму. На других видах серым цветом показано поперечное сечение лазерного пучка. Граница серого показывает условную боковую границу по заданному уровню интенсивности излучения. Элемент 3 в схеме расположен таким образом, что его ножи перпендикулярны тому направлению в поперечном сечении лазерного пучка, где пучок имеет наибольшую расходимость (рис.2). Щелевая диафрагма 3 располагалась на главной оптической оси пучка дальше двух астигматических перетяжек сфокусированного лазерного пучка. Таким образом, она находилась в расходящемся пучке.
Отсчет перемещения линейной подвижки с щелевой диафрагмой вдоль главной оптической оси пучка света проводился от того положения, где эта щель находилась в плоскости перетяжки пучка. Это положение определялось по картине пучка, прошедшего через щель, толщиной в полтора раза больше расчетного размера ширины этой перетяжки. Когда щель находилась в плоскости перетяжки (которая, конечно, расположена параллельно ей), то путем линейных перемещений щели поперек оптической оси удавалось найти такое положение этой щели, при котором лазерный пучок проходил в нее практически беспрепятственно.
Численные расчеты были проведены с
помощью программы МаШСАБ, версия 4.0. Они были сделаны на основе геометрической оптики (для лазера 1 и объектива 2), с привлечением, в случае необходимости, волновой оптики гауссовых пучков, и классической теории дифракции (для щели 3). Эти расчеты показали, что когда лазерный пучок фокусируется объективом 2 на расстоянии около 10 см от главной плоскости последнего, то щель 3 должна располагаться на расстоянии 2,3 мм от параллельной ей перетяжки лазерного пучка. Учитывалось, что щель обрезает пучок по уровню 1/2 от максимальной интенсивности. По расчетам, сделанным в работе [12], в этом случае должна наблюдаться наибольшая интенсивность в "дифракционном фокусе", то есть, в зоне максимума, когда из плоскости наблюдения картины дифракции видна открытой, то есть находящейся в площади апертуры щели, только одна, первая, зона Френеля. В данной работе ожидалось, что в этом случае действие щели на изменение угла расходимости также будет достаточным и для исправления расходимости пучка при минимальных потерях света. При этом ширина щели должна быть 0,060 мм. В результате должен получиться пучок, по форме довольно близкий к аксиально-симметричному, с углом расходимости 0,7°. Исправление астигматизма не входило в цели расчетов, поскольку для дифракционного элемента из одной одномерной щели недостаточно управляемых параметров, чтобы одновременно эффективно исправить и эллиптичность, и астигматизм лазерного пучка в об-
щем случае, то есть, при разных углах расходимости и астигматизме конкретного лазерного диода.
Отметим для сведения еще некоторые данные расчетов. Углы расходимости лазерного пучка после прохождения фокусирующего объектива 2: 0,7° и 2,7° соответственно в направлениях минимальной и максимальной расходимости пучка. Ширина перетяжек сфокусированного пучка в этих направлениях: 20 мкм и 10 мкм. Расстояние между ними: 2,7 мм. Ширина пучка в направлении, параллельном ножам щели в плоскости этой самой щели: 20 мкм (в этом направлении лазерный пучок не дифрагирует на щели, поскольку она одномерная; размер диафрагмы в этом направлении 20 мм). Углы расходимости в отмеченных направлениях после прохождения щели 3: по 0,7°.
Проведенный эксперимент подтвердил правильность численных расчетов. На рис.3 приведены фотографии пучка в его поперечном сечении при отсутствии диафрагмы (а), и при наличии диафрагмы (б), расположенной согласно расчету. При юстировке потребовалась лишь незначительное изменение ширины и расположения щели относительно перетяжки пучка, по сравнению с расчетными. Измеренная с помощью микроскопа ширина щели составила 0,06 мм ±10%. Измеренное в схеме описанным выше способом расстояние щели от перетяжки пучка оказалось равным 2±0,2 мм. На рис.3б хорошо видно, что пучок по форме стал близок к квадрату, при этом его полный угол расходимости
а) б)
Рис.3. Фотографии лазерного пучка в дальней зоне дифракции: а) до исправления неравномерной расходимости, б) после исправления с помощью щели
сильно уменьшился и составил по данным измерений около двух угловых градусов. Щелевая диафрагма 3 в данной схеме, по измерениям, пропускала при этом 75±3% мощности падающего на нее излучения.
Отметим здесь, что микроскопный объектив 2 собирал только примерно половину всей мощности света, излучаемого полупроводниковым лазером. Исследуемый способ допускает непосредственно, без объектива, ставить щелевую диафрагму вблизи лазера для сильного изменения его угла расходимости. Этому помогает то обстоятельство, что полупроводниковый лазер имеет малые размеры тела свечения - 100 на 1 мкм, при которых сильна дифракционная расходимость пучка света. Это нетрудно понять из теории дифракции Френеля. При этом узкая каустика лазерного пучка находится в небольшой области перед передним зеркалом излучателя (0,1-1 мм). Однако для работы с данным типом лазерного излучателя использование объектива было необходимым, поскольку излучатель имел корпус и защитное стекло, которые препятствовали приблизиться со щелью к лазерному кристаллу на нужное расстояние.
В данной схеме сохранялся астигматизм лазерного пучка. Он даже увеличивался после прохождения через щель, примерно в полтора раза (такое сравнение ведется, конечно, при одинаковых углах расходимости светового пучка). Задача компенсации астигматизма лазерного пучка в данной работе не ставилась. Однако этого можно добиться, поставив вторую щель. Она может быть размещена в скрещенном направлении с первой, или же быть параллельной ей. То есть, фактически это означает применение эффекта дифракционной многофокальной фокусировки излучения. Отметим, что положение щелевой диафрагмы в схеме было выбрано с таким расчетом, чтобы иметь больше пространства для размещения в дальнейшем другой, скрещенной щели, чтобы полученная система щелей эффективно (по критерию минимума потерь мощности) исправляла и эллиптичность, и астигматизм лазерного пучка.
И последнее замечание - оно касается
способности дифракционных оптических систем преобразовывать моды светового пучка. В работе отмечено, что при разных распределениях интенсивности падающего света, рассматривался равномерный и гауссовы пучки, после прохождения системы расчетные распределения интенсивности было качественно одинаковыми, имели одномодальный вид, и были близкими по количественным параметрам. Это наводит на мысль о том, что и многомодовый пучок света полупроводникового лазера с неравномерным распределением интенсивности в своем поперечном сечении будет иметь после прохождения этой системы такой же "сглаженный" вид. В описанной схеме лазерный пучок дифрагировал на щели в том направлении, где он имел нулевой модовый индекс. Интересно было бы проверить, ее действие и в другом направлении, перпендикулярном тому, в котором были проведены наши опыты, и в котором различные моды имеют разный мо-довый индекс. Таким образом, исследуемая оптическая схема может иметь еще одно положительное свойство - сглаживание лазерного пучка.
Итак, рассчитана и экспериментально проверена схема для уменьшения расходимости пучка излучения полупроводникового лазера с помощью дифракционной коррекции. Была успешно исправлена эллиптичность лазерного пучка. При этом достигнута хорошая, по сравнению с традиционными способами, пропускная способность системы, без учета влияния коллимирующего объектива, без которого можно, в принципе, обойтись. Указано, что для полного исправления лазерного пучка в данной задаче необходимо использование эффекта дифракционной многофокальной фокусировки излучения. Отмечена возможность еще одного положительного эффекта исследуемого способа - сглаживание лазерного пучка, актуальное для многомодового излучения с высшими поперечными модами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Nishizawa K., Nishi H. Coupling characteristics
of gradient-index lenses // Applied. Optics. 1984. Vol.23. №11.
2. Домбровский B.A., Домбровский C.A., Пен E. Ф. и др. Стыковка полупроводникового лазера видимого диапазона с одномодовым волоконным световодом // Автометрия. 1990. №3.
3. Honma M., Nose Т., Sato S. Optical Properties of Anamorphic Liquid Crystal Microlenses and Their Application for Laser Diode Collimation // Jpn. J. Appl. Phys. 1999. Vol.38.
4. Безотосный B.B., Булаев П.В., Горбылев
B.A. и др. Непрерывные одноваттные ин-жекционные лазеры в спектральной области около 808 нм с полным КПД до 50% // Квантовая электроника. 1998. Т.25. №4.
5. Wade J.K., MawstL.J., Botes D., Morris J.A. 8.8 W CW power from broad-waveguide Al-free active-region (l = 805 nm) diode lasers // Electron. Lett. 1998. Vol.34. №11.
6. Чалый В.П. Мощные лазерные диоды // Лазер. новости. 1998. №1.
7. Letfullin R.R., George T.F. Optical effect of diffractive multifocal focusing of radiation on a bicomponent diffraction system // Applied. Optics. 2000. Vol.39.
8. Letfullin R.R., Zayakin O.A. Observation of diffractive multifocal focusing of radiation // Quantum. Electronics (Moscow). 2001. Vol.31.
9. Letfullin R.R., Zayakin O.A., George T.F. Theoretical and experimental investigations of the effect of diffractive multifocal focusing of radiation // Applied Optics. 2001. Vol.40.
10. Letfullin R.R., Zayakin O.A. Effect of diffractive
focusing of gaussian beam // Preprint of P.N. Lebedev Physics Institute. M.: 2001. №6.
11. Letfullin R.R., Zayakin O.A., George T.F. Diffractive focusing of wide-aperture beams. Theory and Experiment // Proceedings of SPIE. 2001. Vol.4270 ("Laser Resonators IV").
12.Letfullin R.R., George T.F. Diffractive multifocal focusing of Gaussian Beams // Fiber and Integrated Optics. 2002. Vol.21.
13.ВеличанскийВ.Л., ЧернышовA.K. Преобразование эллиптического пучка излучения инжекционного лазера в аксиальносимметричный пучок // Краткие сообщения по физике ФИАН. 1996. №3-4.
14.Liu Huo, Hu Ju, Liu Lhenggang. An experimental research of beam correcting for a semiconductor laser diode // Dianzi Kaji daxue xuebao. J. Univ. Electron. and Technol. China. 1998. Vol.27. №1.
15. Sinzinger S., Brenner K.H., Moisel J., et. al. Astigmatic Gradient-index elements for laser-diode collimation and beam shaping // Applied Optics. 1995. Vol.34. №29.
16. Velichanskii V.L., Zibrov A.S., Kotova S.P., et. al. Method of measuring the astigmatic distance of laser diodes // Jounal of Soviet Laser Research. 1991. Vol.2. №4.
17. Калашников С.П., Мацвейко A.A. Фотодиодный измеритель мощности лазерного излучения // Приборы и техника эксперимента. 1981. №2.
18. Aксененко A.A., Бараночников М.Л. Приемники оптического излучения (Справочник). М.: Радио и связь, 1987.
DIVERGENCE REDUCING OF A WIDE-BAND SEMICONDUCTOR LASER OUTPUT BEAM ON THE BASIS OF THE DIFFRACTIVE CORRECTOR
© 2002 R.R. Letfullin, O.A. Zayakin
Samara Branch of Physics Institute named for P.N. Lebedev of Russian Academy of Sciences
A method on the reducing of a wide-band, about 100 mm, semiconductor injection laser output beam on the basis of the diffractive corrector has been described. Here are presented the optical scheme, the algorithm, the calculation results and the experimental dates where the ellipticity of semiconductor laser beam has been successfully corrected. A well light grasp values have been achieved. They are not less than convention methods ones. It is maintained that an effect of Diffractive Multifocal Focusing of Radiation is needed to use for complete correction of laser beam on this way. One more possibility is named for a positive effect from the investigated method applies. This is an effect of smoothing of a laser beam profile. This is actual for a multi-mode radiation having the highest transverse modes.
