книги / Малогабаритные генераторы накачки полупроводниковых лазеров

Зависимость угла отклонения от частоты ультразвука для двух типов лазеров

На рис. 1.34 приведена амплитудно-частотная характеристика дефлектора с коррекцией углаБрегга.

В эксперименте была достигнута эффективность дифракции 1 ^ / 1 ^ = 82%

для гелий-неонового лазера и ^дифр/^пад= 61 % - для полупроводникового.

Таким образом, акустические дефлекторы, обладая рядом преимуществ, "связанных с высокой скоростью обзора пространства, вибропрочностью конст­ рукции и т.д., имеют небольшой угол отклонения оптического излучения (0 =* 1 0 °

В качестве усилителя отклонения возможно использование двухлинзовой

использовании линзы ^^ф р^онкм оапстоянием ft = 10 мм требуется линза Лх с

\

41

фокусным расстоянием Fi = 100 мм. Световой диаметр JU и А* равен соответ­ ственно D и 2(Fi + Fa) sin 6 /2 + FJF2 Ц где D - оптическая апертура дефлектора

Другими вариантами построения усилительной системы может быть при­ менение отражателя с нелинейной геометрией (рис. 1.36). Испытанная система, построенная по такому принципу, позволила получить усиление по угловому отклонению, равное 20. В проведенном эксперименте отражатель имел сфери­ ческую выгнутую поверхность.

В простейшем случае для увеличения углового отклонения луча можно использовать трехгранную призму. При геометрии, показанной на рис.1.37, зависимость углафот угла падения фопределяется выражением ф = arc cos [sin £ x x (n2 - sin2 ф )1/2 cos £ sin ф ] . Так, для призмы с углом £ = 45° и показателем пре­

ломления h = -/^отклонение падающего луча от нормали на 1 ° приводит к от­

клонению выходящего луча на 9°. Однако нелинейность зависимости ф(ф) позволяет использовать призмы только при малой величине угла сканирования дефлектора.

Рис. 1.36 Рис.1.37

Рис.1.36. Усилитель отклонения с использованием отражения Рис.1.37. Призматический усилитель отклонения

Электромеханические сканеры

Обзор пространства в электромеханических системах со сканирование* узким полем осуществляется посредством вращения или качания заркал, приз* или объективов, а также движения диафрагм и щелей. При этом происходит тако перемещение диафрагмы в пределах заданного поля обзора по определенному закону, что след оптической оси прибора описывает в пространстве круг, цик лоиду или другую фигуру. Системы сканирования узким полем позволяю получать большую площадь (большой угол) обзора при достаточно малом мгнс венном угле поля зрения.

Анализ конструкций существующих сканирующих устройств показал, что < наибольшей степени удовлетворяют поставленным требованиям сканирующи устройства на многогранных вращающихся зеркалах. Обычно при разработк сканирующих систем с многогранными зеркалами прежде всего возникав вопрос об определении минимальных габаритных размеров, обеспечивающи

42

заданные значения диаметра входного зрачка объектива и угла поля обзора^ Основным габаритным размером, подлежащим определению, является диаметр * окружности, в которую вписывается сечение многогранного зеркала Согласно * теории построения сканирующих систем габаритные размеры сканирующего зеркала растут при увеличении числа граней, угла обзора и коэффициента исполь­ зования грани, т.е. при заданных значениях количества граней и угле обзора габаритные размеры сканирующего зеркала зависят от выбора угла установки оптической оси объектива, причем, если этот угол равен 45°, то габаритные размеры минимальны и увеличиваются при любых других значениях угла уста­ новки (угла между нормалью к рабочей грани и стороной угла 45°, у которого вторая сторона совпадает с горизонтальной осью сканирующего зеркала).

В тех случаях, когда требуется большая частота повторения зондирующих импульсов, необходимо использовать пакетированный режим работы излучателей, то есть должны последовательно работать п излучателей.

На рис.1.38. приведен пример конструкции электромеханического сканера с четырьмя последовательно работающими излучателями для обзора пространства Четырехканальная схема сканирования отличается от двухканальной тем, что в ней объективы приемника Об1 и излучателя Об/ расположены перед рабочей

гранью АБ первой призмы (вертикальной) так,чтобы обеспечить заданный макси­ мальный угол отклонения луча от вертикали, равный 60°. Это достигается уста­ новкой оптических осей объективов Об1 и Об' к вертикальной грани АБ под

углом 60°. При развороте призмы (блока заркал) на 30° сканирующие лучи от грани АБ займут вертикальное положение, при котором канал 1 отключается переключателем каналов и подключается канал 2, объективы которого Обх и Об' в

этот момент направлены в сторону грани БС под углом 30°, что соответствует вертикальному положению сканирующих лучей. Разворот призмы на 30° приведет к изменению положения грани БС (она займет вертикальное положение) и к отклонению лучей на 60°.

Таким образом, поворотом первой призмы на 60° был получен полный угол, сканирования, равный 120°. Далее, после отключения канала 2 переключатель каналов включает канал 3, который за поворот призмы на следующие 30° раз­ вернет сканирующие лучи на одну половину угла обзора - на 60°, а за поворот призмы еще на 30° - на вторую половину угла обзора, равного 60°. Затем начинает работать грань АС первой призмы и канал 1 и т.д.

Следовательно, основное отличие четырехканальной схемы сканирование заключается в том, что объективы в ней расположены с двух сторон от продольно! оси призмы, что увеличение числа каналов в 2 раза почти не увеличило габарите сканирующего устройства, а скважность работы излучателей возросла в 2 раз*

что позволило существенно повысить частоту повторения излучаемых импульсоЕ

равных 30°, если диаметр описанной окружности зеркальной призмы буде равен 70 мм, расстояние между плоскостями входных зрачков объективе (Об1( ... ,Об^ и описанной цилиндрической поверхностью призм будет не мене 20 мм. Оптимальных размеров сканирующего устройства можно достичь толы при окончательном выборе комплектующих элементов, что во многом зависит < формирующей оптики приемника и излучателя. В сканирующем устройстве качестве передающего объектива используется линза малого диаметра, а качестве приемной системы - двухлинзовый объектив.

44

Проблема сокращения габаритов передатчиков может быть решена, например, гс применением градана или микроколлиматора Анализ показывает, что исполь­ зование опытных образцов градана (ф = 2 мм, I = 15 мм, конус сходимости 1:3)

обеспечивает угол расходимости излучения излучателя W inH-102 порядка 3е. Дальнейшее уменьшение угла расходимости возможно за счет сближения градана и тела свечения, что требует определенной доработки серийных излучателей, а также применения микроколлиматора диаметром менее 5 мм. Габаритные размеры формирующей системы несколько увеличатся и в основном будут определяться размерами коллиматора. Каждая оптическая головка состоит из 4-х объективов, 2-х держателей фотодиодов, которые обеспечивают установку

, Блок зеркал состоит из 4-х отдельных пенополиуретановых трехгранных призм, на каждой грани призмы приклеено зеркало в виде пластины из оргстекла, покрытой с одной стороны алюминием. Призмы объединены в блоки призм. Причем один блок призм с совмещенными гранями соединен с другим блоком таким образом, чтобы грани блоков были смещены на 60°. Призмы нанизываются на пустотелую трубку и разделяются между собой оптическими экранами. Для улучшения аэродинамических свойств весь блок помещен в защитный составной прозрачный кожух из оргстекла. Причем кожух состоит из отдельных частей, что позволяет предупредить прохождение лучей света от ОКГ в область приема отраженных лучей, так как между частями кожухов размещены края экранов. Торцовые экраны являются одновременно прерывателями оптико-электронных переключателей (генераторов строчной развертки) и выполнены в виде дисков, которые по своему периметру имеют отверстия (в одном из торцевых дисков 192 отверстия, а в другом - одно). Края указанных дисков входят в щели оптикоэлектронных переключателей. Все детали зеркал между собой склеены. Так как детали блока зеркал выполнены из материалов с малой удельной массой, то момент инерции блока зеркал незначителен.

Оптико-электронные переключатели состоят из корпуса в виде втулки с резьбой. Втулка имеет два соосных отверстия, разделенных щелью (пазом). В. отверстия так установлены фотодиод и светодиод, чтобы их активные площадки были направлены друг против друга и выходили в щель корпуса В разработанном сканере используется автобалансир, установленный внутри полости блока зеркал и предназначенный для балансировки его и демпфирования высокочас­ тотных колебаний. Он состоит из цилиндрической колбы, наполовину заполненной кремнийорганической жидкостью малой вязкости.

Остальные детали служат для создания каркаса сканирующего устройства, крепления электродвигателей, переключателей и защитных прозрачных кожухов, а также оптического экранирования источников излучения от приемников излучения.

Полупроводниковые излучатели с изменяемой диаграммой направленности

Перспективным при создании малогабаритных сканирующих передатчиков является отклонение луча за счет управления параметрами лазера или свето­ диода Здесь можно выделить три возможных направления по которым ведутся исследования.

Во-первых, изготовление полупроводниковых структур с несколькими излу­ чающими элементами, фазой выходных колебаний которых можно управлять.

45

В работе [27] описана конструкция, содержащая три плоских лазера, сформи-г. рованных на единой подложке. За счет изменения фазовых соотношений коле-** баний накачки достигается угол сканирования, равный 14°.

Во-вторых, отклонение диаграммы излучения можно реализовать с помощью планарной двойной гетероструктуры с внутренним активным слоем и двумя рп

переходами [28]. В этом случае изменение соотношения напряжений, прикла­ дываемых к рп переходам, приводит к отклонению луча, выходящего из сколотой грани резонатора, примерно на 2 0 ° в результате эффекта направленного

усиления.

Третий вариант сканирования диаграммой полупроводниковых оптических передатчиков основан на амплитудной модуляции сигнала излучающих диодов с помощью оптического поля, создаваемого между дополнительным управляющим электродом и подложкой. При этом накачка диодов осуществляется постоянным током, а необходимые для генерации условия создаются за счет подачи на управляющий электрод напряжения 1-5 В. Если над краями рп перехода раз­

местить два таких электрода, то в зависимости от соотношения напряжений на них излучающая область будет перемещаться в фокальной плоскости передающей оптической системы с соответствующим отклонением формируемого луча Напыление п управляющих электродов позволило бы сканировать лучом диск­ ретно по п направлениям.

1.5.ЭЛЕМЕНТЫ, ФОРМИРУЮЩИЕ ДИАГРАММУ ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВА ВВОДА

Светодиод и полупроводниковые лазеры имеют относительно широкие диаграммы излучения. Поэтому для передачи светового потока с заданными характеристиками направленности излучения используют различные оптические формирующие системы: линзы, объективы, слоевые линзы, аксиконы, световые фоконы, фоклины, граданы, киноформы и т.д.

Для оценки области их применения в малогабаритных оптических передат­ чиках коротко остановимся на особенностях формирования светового излучения, так как требования к формирующим элементам в конечном итоге определяют выбор полупроводникового излучателя и генератора накачки.

Наиболее часто передающая оптическая система формирует пучок, близкий к параллельному или сходящийся в точку на заданном расстоянии, с сечением в секторе в виде окружности, прямоугольника и т.д.

Линзы, объективы

Простейшим устройством концентрации оптического излучения является линза (рис. 1.39). Угол расходимости определяется аберрационными искаженилми, размером тела свечения (2 /) и фокусным расстоянием: ер = arc tg ///.

Наличие малого тела свечения у полупроводниковых лазеров (0,2-0,8 мм)

позволяет по сравнению с тепловыми источниками излучения (лампы накали­ вания, газоразрядные лампы и т.д.) формировать излучение в относительно небольшом угловом секторе. С точки зрения уменьшения угла 9Р, необходимо увеличить фокусное расстояние. Однако в силу того, что ПКГ имеет угол расхо димости 9 р = 20-40°, с увеличением фокусного расстояния необходимо увеличите диаметр линзы D. Выбор этих параметров осуществляется на основе компро<

46

9

Рис.1.39 Однолинзовые передающие оптические системы с использованием двоя!':„'выпуклой (а), иммерсионной (б), отрицательной (в), цилиндриче­ ской (г) линз

миссного решения в соответствии с зависимостью (D /2 ) // = tg р^ / 2 и с учетом

ограничения по габаритно-весовым характеристиками объектива В светодиодах, для которых характерно равномерное угловое распределение

47

излучения, используют иммерсионные линзы, т.е. тело излучения монтируется непосредственно на линзе (рис. 1.39,6). Диаграммы направленности светового излучения некоторых светодиодов с иммерсионными линзами приведены на рис.1.401 Увеличение расходимости пучка лазера достигается за счет отрица­ тельной линзы (рис.1.39,в). Создание расходящегося пучка со сжатием излучения в одной из плоскостей лазерного излучения связано с применением цилиндри­ ческих линз (рис. 1.39,г).

При своей простоте однолинзовые объективы имеют все виды аберраций. В однолинзбвых объективах невозможно получить коллимированный пучок с четким изображением сечения светового луча Поэтому наиболее часто исполь­ зуют двухкомпонентные (двухлинзовые) объективы с малым относительным отверстием. Двухкомпонентные линзы при определенной расфокусировке могут использоваться для концентрации излучения на определенном расстоянии и для коллимации лазерного излучения (рис.1.41 б). Подробный расчет таких объек­ тивов приведен в работе [29]. Для расходящегося светового пучка двухкомпо­ нентный объектив (рис. 1.41,6) может служить коллиматором, если тело свечения ПКГ поместить на оптической оси в точку х.

Рис.1.41. Формирование коллимированного излучения (а) и сходящегося луча (6) с помощью двухлинзового объектива

Ьолее качественное изображение можно получить, используя заркальные объективы со сферической или асферической (параболической, гиперболической и т.д.) поверхностями. Ограниченное применение получили зеркально-линзовые оптические' системы (Шмидта, Максутова, Манжена и т.д.). Наличие контрреф лектора в центральной части основного зеркала приводит к экранированию части излучаемой поверхности зеркального объектива

Фоконы

Фоконом или фокальным концентратором называется оптический элемент волоконной оптики с переменным сечением, позволяющим увеличить или уменьшить передаваемое через него изображение. При прохождении оптического сигнала фокон можно рассматривать как отрезок световода

В настоящее время наибольшее распространение получили световоды из прозрачных твердых материалоа «Первоначально такие световоды использо­ вались в виде стеклянных, кварцевых, прозрачных полимерных стержней или волокон. Однако в местах соприкосновения с соседними световодами, на участках крепления и при загрязнении и порче их наружной поверхности нарушается полнота внутреннего отражения. Для обеспечения высокого коэф­ фициента внутерннего отражения световоды изготавливаются и? двух стекол сердцевины (световедущей жилы) с высоким показателем преломления (лс) и спеченной (сплавленной) с ней оболочкой (изоляции) из прозрачного стекла с

48

низким показателем преломления (ли). Здесь внутреннее отражение происходит на границе раздела сердцевина-оболочка (рис. 1.42).

Создание именно таких световодов увилось базой, на которой выросла вся современная продукция волоконно-оптической промышленности. Это обус­ ловлено ничтожными потерями света при каждом отражении (в лучшем случае до 10-6, чему соответствует коэффициент отражения 0,999999 (ослабление света менее 0,4 мкдБ). Наклон лучей ^ в прозрачных световодах, как правило, меньше, чем Х у в воздухе (Х1 на входе и х^ на выходе из световода). Эти углы связаны

соотношением

ncsinj4 =sinXi = sinX^.

где Хцр - критический угол падения луча на поверхность раздела двух сред. Наибольший угол наклона меридиального луча, при котором еще имеет место

полное внутреннее отражение, находится из соотношения

п0а п ^ = т /п » - п и =ЛГА,

где X, = Xg = Хо - номинальный апертурный угол; л0 - показатель преломления

среды, контактирующей с торцами световода.

Величина NA называется числовой апертурой световода и представляет одну

из основных его характеристик при стыковке с излучателем. Числовая апертура Л/д определяет собирательную силу оптического волокна Числовая апертура на

49

NM = n0sin £ , = (D /D j) V n | - ^ .

где ^ и D2 - диаметры большого и малого торцов конусообразного волокна

Числовая апертура на малом торце фокона определяется выражением

передаче света с малого торца фокона на большой световые лучи коллимируются, и, наоборот, лучи, поступающие с большого торца фокона на малый, концентри­ руются. Степень концентрации световых потоков определяется величиной отношения торцевых диаметров волокна

Типовые параметры фоконов, выпускаемых промышленностью, приведены в табл.1.13. Коэффициент пропускания (К) определяется как отношение потока,

прошедшего через световод, к потоку, упавшему на его входной торец. Соот­ ветственно D = -Ig tf характеризует оптическую плотность. ВеличиныK w D являются безразмерными. Если D = 1, то К = 0,1.

Таблица 1.13

*Характеристики серийно выпускаемых фоконов

Коэффициент пропускания -к и оптическая плотность D системы, представ­

ляющей собой комбинацию из нескольких последовательно расположенных по ходу луча оптических элементов, будут равны

оси и формами выходного и входного торцов. Поэтому для полупроводниковых лазеров, учитывая форму возбуждающего пучка, целесообразно входной торен выполнить в виде прямоугольника, большая ось поперечного сечения которого совпадает с плоскостью рп перехода, а выходной торец - в форме круга, соот­

ветствующего диаметру пучка.

50