книги / Малогабаритные генераторы накачки полупроводниковых лазеров

Граданы

Световоды с непрерывным изменением показателя преломления в попе­ речном сечении называются градиентными. Наиболее распространенным гра­ диентным световодом является селфок (Selfoc-самофокусирующий). В этом световоде показатель преломления в идеальном случае распределяется по закону

п(г) ■ n0/ch (л/2 ) .

Частный случай селфоков - Я-граданы - световоды, имеющие параболический закон изменения показателя преломления

п(г) = ло( 1 - 0 , 5 / С ^ ,

где г - радиус градана; К п - постоянная распределения; л0 - показатель пре­

ломления на оси. Только Я-граданы из всех селфоков обладают способностью формировать и передавать изображение (рис. 1.43).

Рис.1.43. Формирование светового по­ тока в Я-градане: 1-световод; 2,3- ход лучей

В таких волокнах из-за рефракции лучи, входящие в торец, фокусируются вблизи осевой линии, а немередианальные лучи распространяются также вдоль оси по винтовой траектории. Любой отрезок такого волокна действует как корот­ кофокусная линза (градан), вызывая эффект самофокусирования.

Потери на рассеяние в селфоке по сравнению с обычным двухслойным волокном меньше в силу того, что луч не касается поверхностей, на которых главным образом и рассеивается свет в обычном волокне. В идеальном селфоке нет различий во времени, прихода на выход всех лучей, а также сферических аберраций.

Интересным свойством граданов является возможность передачи изобра-* жения по единичному световоду. Обычное оптическое волокно может передать на выходной торец лишь один элемент изображения. Только жгут из многих тысяч волокон, уложенных регулярно, может передать, изображение объекта Единичный градан передает изображение целиком. Градан может без дополнительной оптической системы формировать и передавать изображение как линза с фокусным расстоянием

F - (hocZ sin fc^1 ,

где Z - расстояние по оси элемента от точки входа луча; пк - показатель пре­

ломления на оси; fcn - постоянная распределения.

Числовая апертура селфоков и граданов определяется так же, как и для двухслойных световодов с прозрачной оболочкой. В зависимости от длины градана светвой независимый поток может быть коллимированным или рас-

4*

51

ходящимся. Одножильные Д-граданы выпускаются диаметром 1 -5 мм. Граданы, выпускаемые промышленностью, имеют типовые размеры: диаметр d = 1,5 мм,

длину / = 7 мм, двойной апертурный угол 29°.

При расположении практически точечного источника излучения (ПКГ) с \ = 0,91 мкм на торце такого градана расходимость луча на выходе равна 0,5-1°.

Потери составляют несколько децибел.

Слоевые линзы. Фоклины

Слоевые линзы как световоды состоят из прозрачных слоев,от поверхности которых, отражаясь, распространяются световые потоки.

Расчеты и предварительные эксперименты показали, что с помощью слоевых световодов в ряде случаев достижымы более высокие характеристики опти­ ческих систем, чем при применении линзовой зеркальной и волоконной оптики [30,32].

Формирование действительных и мнимых изображений слоевыми деталями во многом отлично от формирования изображения линзовыми и зеркальными системами. Слоевые детали могут образовывать как самостоятельные опти­ ческие системы, так и входить в состав сложных оптических систем, состоящие кроме них из линз, зеркал и волоконных деталей. Из слоевых блоков могут быть вырезаны всевозможные линзы, в которых системы прямых и зеркально пере­ вернутых лучей ведут себя совершенно по-разному.

К разделу слоевой оптики относятся фоклины - слои или прямоугольные призмы, сечение которых меняется по длине. Основное оптическое свойство фоклинов - способность независимо менять проекции апертурного угла на плоскости строк фоклина. То ерть фоклин - этЪ гибкая телескопическая система с заданным в каждой плоскости увеличением, в котором на выходе складываются четыре взаимно перевернутых изображения. Однако применение таких теле­ скопических систем обычно неудобно, а часто и невозможно, поэтому рассмат­ риваются фоклинные линзы.

, Слоевые линзы,* фоклины обладают большей оптической силой, чем обычная двояковыпуклая линза Кривизна поверхности слоевой линзы меньше, чем у обычной. Хроматизм слоевых линз также меньше, чем у обычных* той же опти­ ческой силы [31,32]. Применение фоклина в полупроводниковом лазере типа ИЛПИ-110 позволило сконцентрировать излучение с площади, определяемой

набором	лазерных решеток, до тела свечения 1 x2 мм2	и создать равномерное
поле во	всем сечении излучаемого пучка
Оптические стекловолоконные пластины, световоды		передачи изображения

При изготовлении световодов образуется пучок в виде регулярно уложенных оптических волокон. Обычно такие пучки при -ограниченной длине применяются в качестве устройств, позволяющих переносить изображение от одного торца и другому. Числовая апертура волоконного жгута определяется числовой апер­ турой его отдельных волокон и зависит от конфигурации сечения.

Основная область применения таких световодов связана с передачей изображения тела свечения из внутренней герметизированной конструкции лазера на ее поверхность. Это позволяет в дальнейшем осуществлять стыковку излучателя с рассмотренными оптическими формирующими элементами или световодами с минимальными потерями энергии. Конструкция регулярно уложенного жгута ограниченной длины получила название оптической шайбы)

52

£Возбуждение таких световодов осуществляется, как правило, контактными методами.

Одной из особенностей распространения энергии в таком пучке световодов с сердечником и оболочкой является то, что при возбуждении пучка источник излучения возбуждает не только сердечник, но и оболочку. Затухание излучения будет несколько меньше затухания одного световода Это связано с тем, что энергия рассеяния, связанная с неоднородностью, будет создавать потери только для перифирийных световодов. Энергия, рассеиваемая внутренними световодами не будет теряться, т.к. благодаря связям между световодами, последние будут взаимно возбуждаться энергией рассеяния. Кроме того, часть энергии рассеяния перифирийных световодов будет также переходить во внутренние световоды пучка

Наиболее плотная укладка световодов в пучке - гексагональная. При такой укладке центры трех взаимокасающихсл световодов образуют равнобедренный треугольник. Гексагональная укладка пучка вписывается в правильный шести­ угольник.

Возбуждение пучка световодов имеет некоторые особенности по сравнению с возбуждением одиночных световодов. Если апертурный угол излучателя (0 И^ £ т) меньше апертурного угла сердечника световода, то лучи будут рас­

пространяться как в сердечниках световодов, так и в их оболочках Х2т > ^ . Процесс осложняется тем, что оболочки световодов соприкасаются с погло­ щающим покрытием, предназначенным как для защиты от механических пов­ реждений, так и для светоизоляции. Энергия, распространяющаяся по оболочке, будет поглощаться этим покрытием. Следовательно, необходимо учитывать только ту мощность, которая вводится в торцы сердечников световодов. В идеальном случае, когда все световоды имеют одинаковые внешние (d) и внут­ ренне (2 а) диаметры и уложены строго гексагонально, общая площадь сечения

сердечников световодов, вписанных в сечение излучающей поверхности, будет равна JV£i, где ^ = ла2; N - число световодов. Тогда, если мощность излучения в

пределах апертурного угла световодов пучка равна Ри, только часть ее будет введена в световоды, а именно

Р И1 = Л д ( 2а/с0?и1

где й д - плотность упаковки.

Для гексагональной укладки значение йд определяется как отношение суммарной площади частей круга, ограниченных треугольниками, к его общей площади. То есть йд= л/2 -/ЗГ* 0,907.

Коллекторы

Увеличение мощности полупроводниковых ОКГ др 1 -3 кВт связано с уве­ личением числа лазерных решеток. Однако это приводит к увеличению тела свечения, что не позволяет получить коллимированный поток на выходе форми­ рующей оптической системы. Поэтому увеличение Ри достигается за счет исполь­ зования коллекторов, позволяющих разнести лазерные решетки. Коллектор представляет собой регулярно уложенные в жгуте световоды диаметром 5 -15 мкм, спаянные с одного конца и разделенные на другом конце ж гута Применение коллектора позволяет устранить катастрофическое разрушение зеркал резонатора полупроводниковых ОКГ при высоких плотностях излучения Н О 6 Вт/см2), обусловленное значительным поглощением излучения в областях лазерного диода, непосредственно примыкающих к зеркалам [5 ].

53

Для предотвращения просачивания света из одного волокна в другое, каждое волокно в коллекторе светоизолируется от других. Волокна покрывают оболочкой из оптически прозрачного материала с меньшим значением показателя пре­ ломления по сравнению с показателем преломления самого волокна для полу­ чения большой апертуры, то есть для возможности прохождения под сравни­ тельно большими углами пучка лучей внутри волокна за счет полных внутренних отражений на границе волокно (сердцевина)-оболочка Обычно оболочка волокйа изготавливается из материала с достаточно высокой оптической прозрачностью. Она образует с сердцевиной высококачественную гладкую границу раздела, что способствует уменьшению потерь света на поглощение и рассеяние при многократных полных внутренних отражениях.

Так как при полном внутреннем отражении энергия излучения проникает во вторую среду (оболочку) лишь на расстояние в несколько длин волн, быстро убывал во второй среде, то толщина оболочки в несколько длин волн (обычно 1 - 2 мкм) позволяет свести к минимуму светопередачу из волокна в волокно.

Устройства ввода

Широкий диапазон изменения тела свечения 0,2-1 мм и широкие диаграммы излучения затрудняют сопряжение полупроводниковых лазеров и светодиодов со световодами. Рассмотрим более подробно эффективность ввода излучения в световод от точечного источника с постоянным распределением мощности в пределах конуса с углом при вершине (угол между осью и крайним лучом) - рис. 1.44 В соответствии с расчетными данными [32,33] в плоскости входного

торца световода источник будет освещать круг диаметром D* = 2Я tg L \ , где

Я - расстояние от источника до входного торца Если поток энергии Ф не зависит от угла х \ , то эффективность использования излучения источника

h\ = V 4 (№ = U 4 A Я2 tg2 Х1
при D ^ D ' или 2RXg JC ^D . Так какЯ '<*£), т	о 1 .
Чтобы получить Л'э = 1, необходимо источник А и входной торец световода
располагать на расстоянии R < D /2 tg X j. В случае излучателя с углом расхо­
димости = 40° и диаметре световода D *	50 мкм в пределах Я ^ 30 мкм фор­

мулу для эффективности ввода излучения можно записать в другом виде [32] h'3= tg2 X-j/tg2 L \ , где Х1 определяет направление крайнего луча света, падаю­

щего на входной торец световода

В соответствии с законом преломления sin	= лс sin Хс, где угол хс опре­
деляет направление крайнего луча пучка внутри световода При Хс <		появ­

54

ляются потери из-за малого значения числовой апертуры световода. На торец световода падает поток в пределах телесного угла Q=nD2/A R .

Свет захватываемся световодом в пределах телесного угла:

оо

где £ 1кр - критический меридиональный угол падения луча на входной торец, которому соответствует критический меридиональный угол Х ^ внутри свето­ вода, откуда

л" = Q'to = [16Z sin2 to кр/ 2 ) ] / 2D2

и тогда эффективность использования находим как

К = [4 sin^C, кр/2)]/* tg2 £ ,

при Лэ< 1 .

Из представленной зависимости следует, что эффективность ввода излучения в световод не зависит от диаметра световода и определяется только значениями J?,XiKp(£cj<p) и Х^Чем меньше Я и и больше Х1кр, тем больше h3.

Для светодиодов, имеющих широкую диаграмму направленности, согла­ сование в простейшем виде осуществляется за счет приклеивания кристалла к

торцу	ж гута Возможные	способы	жесткого	соединения светоизлучающих
диодов	со световодами,	описанные	в {33,35],	представлены на рис. 1.45.

Рис.1.45. Способ соединения светоизлучающих диодов со световодами: 1-кристалл светодиода; 2-активная излучающая область; 3-световод; 4-оптический клей; 5-формирующий элемент

В зависимости от апертуры полупроводникового лазера при числовой апертуре световода АГа = 0,14-0,54 эффективность ввода световой энергии составляет 10-30% . Внеапертурные потери для световода как плоского ламбертового источника примерно равно h3 = 10 lg ЛГ^,т.е. для ЛГА= 0,14-0,54 потери

составляют 17-5,4 дБ. Потери могут быть уменьшены за счет введения фоку­ сирующих систем (рис.1.45, в,г,д - бесконтактные методы возбуждения

световода).

55

Использование цилиндрической линзы [106] позволяет скорректировать эллиптический пучок ПКГ до круглого и ввести в многомодовый световод до 30% излучения. Другим перспективным устройством ввода является сочетание сферической линзы с большой числовой апертурой и градана, формирующего согласованный со световодом сходящийся пучок.

Для обеспечения возможности многократного соединения полупровод­ никового излучателя со световодом применяют оптические разъемы [35]. Конструкция такого разъема предусматривает надежную юстировку излучателя относительно светового кабеля.

Киноформные оптические элементы

За последние годы, благодаря широкому использованию лазеров и ЭВМ в процессе решения различных задач оптики и электроники, элементная база оптики значительно изменилась. В частности, в конце 60-х гг. появились новые оптические элементы, рассчитанные с помощью ЭВМ и названные киноформами [34,36]. Эти элементы, толщина которых соизмерима с длиной волны света, осуществляют непосредственную модуляцию фазы исходного волнового фронта путем вариации оптической толщины материала Благодаря киноформам, можно создавать практически плоские элементы.

Киноформные оптические элементы (КОЭ) занимают промежуточное поло­ жение между дифракционными и рефракционными элементами и по сути являются фазовыми дифракционными решетками. Благодаря их применению, стало возможным получить более широкие преобразования волнового фронта что обусловлено технологией их получения. В киноформном виде можно получать линзы, объективы, призмы, аксиконы, асферические линзы и др. Наиболее широкое применение киноформы нашли в лазерной технике - при фокусировке лазерного излучения, в процессе создания винтовых и конических волновых фронтов, коррекции волновых аберраций и т.д.

Киноформы позволяют конструировать системы, где на одной подложке расположено несколько оптических элементов и изображение подвергается параллельно нескольким преобразованиям. Такал обработка изображения называется пространственно перекрывающейся, существует также пространст­ венно неинвариантная обработка.

Ввиду того, что технология КОЭ во многом сходна с технологией произ­ водства интегральных схем, их можно делать на тонких подложках или в виде пленок. Они имеют свои преимущества - малый вес, себестоимость, большую апертуру и пропускают излучение в широкой области спектра при малом поглощении.

Однако наряду с этими преимуществами киноформы обладают рядом существенных недостатков, что ограничивает их применение и делает его обоснованным только в том случае, когда нельзя добиться требуемых оптических характеристик с помощью обычных оптических элементов.

Основным недостатком КОЭ является ограниченная дифракционная эфективность, которая у лучших образцов достигает 70-80% и только у элементов с широкими зонами (более 10 мкм) - 90% . Изменение фазового профиля приводит к появлению рассеянного света и возрастанию уровня боковых лепестков в передающих оптических системах (системах оптической связи, дальномерах и других устройствах, использующих ПКГ).

Существенным недостатком является требование монохроматического

56

Рис.1.46. Распределение интенсивности (а) в кружке рассеяния (б) на выходе киноформной линзы; распределение интенсивности в кружке рассеяния на выходе киноформной линзы, формирующей равномерное прямоугольное (в) и кольцевое (г) распределение; д - дифракционная картина на выходе кино-

формного аксикона

светового потока, что резко ограничивает их применение в визуальных опти­ ческих системах с широкой полосой спектра Наличие рассеянного света при преобразовании излучения, доля которого достигает 30% , также ограничивает применение киноформных элементов в оптико-электронных устройствах В некоторых случаях рассеянный свет можно устранить пространственной фильтрацией. Рассмотрим виды киноформных оптических элементоа

К и н о ф о р м н а я л и н з а . Наиболее простой вид КОЭ, имеющий, тем не менее, практическое значение, позволяет осуществлять фокусировку осевого монохроматического пучка света с плоским волновым фронтом. Дифракционная эффективность достигает 6 8 %, разрешающая способность совпадает с дифрак­

ционным пределом (рис.1.46,а). Относительное оптическое отверстие состав­ ляет 1-1,5.

К и н о ф о р м н ы е р а д и а л ь н ы е р е ш е т к и . Применяются для преобра­ зования плоского волнового фронта в винтовую поверхность. КОЭ, осущест­ вляющий такое преобразование, имеет вид профилированной радиальной решетки с чередованием зон. Для получения винтового волнового фронта с шагом Н

необходимо синтезировать радиальную решетку с числом зон, равным Н / к .

Оптический элемент в сочетании с профилированной радиальной решеткой

57

формирует световую линию с распределением интенсивности в поперечном < сечении, пропорциональным квадрату функции Бесселя л-го порядка от ради­

альной координаты.	л и н з а ,	ф о р м и р ую щ а я	р а в н о м е р н о е
К и н о ф о р м н а я
р а с п р е д е л е н и е	и н т е н с и в н о с т и	в ф о ка л ь н о м	п я т н е . В ряде

случаев необходимо иметь равномерную интенсивность излучения в сечении пучка Это достигается путем создания КОЭ, совмещающего функции пропус­ кания киноформной линзы и аксиально симметричной периодической фазовой решетки (дифракционной решетки). На рис. 1.46,в,г приведено распределение интенсивности в фокальной плоскости, близкое к прямоугольному (в) или в виде кольца малого диаметра (г).

Ки но ф о р м ны й аксикон.Это оптический элемент с осевой симметрией, преобразующий плоскую или сферическую волну в коническую и отображающий точечный источник света в виде множества точек, располагающихся вдоль оптической оси. Дифракционная картина На расстоянии 1 м от аксикона для \ = 0,6328 мкм показана на рис. 1.46,6.

Условие концентрации светового потока в тонкое кольцо с помощью кино­ формы с импульсным откликом представлено на рис. 1.46,е.

1.6.КОРРЕКЦИЯ ФОРМЫ ОПТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ

Сувеличением тока накачки длина волны излучения полупроводниковых лазеров снижается [9]. Зависимость спектрального пика усиления от тока накачки называется спектрально-пороговой характеристикой и дает представ­ ление о крутизне и диапазоне перестройки длины волны лазера В соответствии с

результатами работ [109,110] изменение плотности тока накачки от 4 до 40 кА/см2 приводит к отклонению длины волны излучения на 3 -5% . Таким

образом, на протяжении фронта и среза импульса накачки происходит смещение спектра излучения. Если генерируемый поток пропустить через голографическую дифракционную решетку или решетку в виде гофрированной структуры, уста­ новленную приблизительно под брэгговским углом, то произойдет расщепление луча Регулируя угловое положение решетки относительно первичного опти­ ческого потока, можно обеспечить попадание спектра вершины излучаемого импульса в максимум нулевого порядка Поток, соответствующий фронту и срезу оптического сигнала, дифрагируется на решетке, шаг которой равен половине длины волны, и попадает в максимумы ±1 -го порядка

Таким образом, можно выделить спектральные составляющие, относящиеся к вершине генерируемого импульса Это адекватно коррекции формы оптического сигнала, т.а сокращению длительности ее фронта и среза

Второй перспективный метод коррекции формы лазерных импульсов использует зависимость поляризационной структуры излучения от тока накачки (рис.125,в). При этом выделение энергии сигнала, соответствующей вершине

импульса, производится за счет поляроида (например, анализатор в виде призмы Глана-Томсона). *

58

Г Л А В А 2

МАЛОГАБАРИТНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ НАКАЧКИ ИНЖЕКЦИОННЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

Рассмотренные в главе 1 технические данные современных инжекционных излучателей накладывают ряд противоречивых требований к устройствам питания, основными из которых являются амплитуда тока и ее стабильность, высокое быстродействие, малые габариты и экономичность.

Задача создания современных генераторов накачки должна решаться путем поиска соответствующих схем и использования быстродействующих токовых коммутаторов, в качестве которых могут применяться транзисторы, тиристоры и лавинные диоды. В некоторые случаях, когда мощные полупроводниковые ключевые приборы не обладают достаточным быстродействием, их целесообразно дополнять нелинейными элементами, формирующими токовый импульс по длительности за счет сокращения времени нарастания и среза К таким элемен­ там относятся диоды с накоплением заряда, дроссели и трансформаторы с насыщиющимся сердечником.

2.1.ТРАНЗИСТОРНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Впереключающих и импульсных устройствах различного назначения широко применяются транзисторы, отличающиеся хорошей устойчивостью к воздействию механических факторов, высокой частотой повторения токовых импульсов и широкими возможностями по реализации требуемых временных и амплитудных параметров формируемых сигналов при практически мгновенной готовности к работе.

Улучшение токовых и мощностных характеристик транзисторных ключей связано с определенным снижением их быстродействия. Предельные возмож­ ности импульсных генераторов определяются типом транзистора и режимом его работы. Поэтому рассмотрим особенности построения генератора накачки с использованием ВЧ и СВЧ биполярных и полевых транзисторов средней и большой мощности.

Генераторы накачки на биполярных транзисторах

Рассмотрим переходные процессы в транзисторном ключе. Его переходная характеристика имеет вид

Л(У = Рт (1 -е х р [-< /т р]),	(2 .1 )
где рт - коэффициент усиления по току; тр -	время жизни неосновных носителей
в схеме с общим эмиттером.
Прямоугольный импульс в цепи базы определим как
	(2. 2)
де тидлительность входного импульса; 1б-	его амплитуда.

59

Воспользовавшись импульсной характеристикой (2.1), найдем ток в цепи коллектора ijt ) :

к ®	= <бЭт1 ^ Л© -<бЭ т1 ^ - ' и) = / вЭт(1 - е х р [ - ^ т з ] ) 1 й ) - / 6ртх
х(1 -	е х р [-(*-т и)/т р ]) 1 (f-T „ ).
При * < т и<тр
h (t)= lt$ T (1 -exp [-f/тр]) **J6pT[t—1 + f/тр - 1 / 2 (f/tp )a+ „ ]
и для t > т и
* /< М б М е х р К * -т „ )/т р ]- е х р Н /т р ])» /в- р,-ехр(-г/тр)[ехр(си/Т 0)= 1 ] .				( 2 Л )
Режим насыщения f6 (f0) »		i6A характеризуется	коэффициентом насыщения
<Рн = V	J«H и определяется соотношением im = ^ • рт (1 - exp Н ф/т р]) ,где гф-
длительность фронта импульса		или 1 - im/ I 6 рт =	ехр ( - 1ф/тр), где im - ток
коллектора при насыщении; ^ -		ток базы при насыщении.

Отсюда можно определить зависимость длительности фронта импульса на выходе насыщенного ключа от степени насыщения транзистора гф= та In фн/ фн - 1, (кривая 1на рис. 2 .1 ).

Следовательно, повышение % приводит к сокращению фронта и увеличению длительности выходного импульса, так как, начиная с t = т0 , происходит умень­

шение заряда, накопленного в базе по закону ^

W - h t ’ ехР И / 1ф) (exp ( - V Tp) - 1>-

Используя формулу (2.3), получим выражение для длительности среза импульса fc:

гс «тр[1п<рн+1п(ехр(тк/т р )-1 )].

(2 .4)

Рис. 11

Рис. 2.2

Рис.2.1. Влияние степени насыщения БТ на длительность фронта (кривая 2) и среза (кривые2J для т„« 2 т р и т и= т р соответственно)

Рис.2.2. Зависимость времени расасывания носителей базы от степени насыщения транзисторов 2Т908А - кривая 1, 2Т808А - кривая 2, 2Т904А — кривая 3 ,2Т907А и 2Т909Б - кривая 4 ,2Т803А - кривая 5

Таким образом (рис.2.1, кривые 2,3), чем больше <рн и отношение ти/т ф, тем

более длительное время транзистор находится в режиме насыщения. С учетом зависимости (2.4) длительность выходного импульса тв равна тв= т и+ 1с.

60