一種減小標準具效應的雷射器系統的製作方法

2023-09-20 19:55:25 1

本實用新型涉及雷射器技術領域，具體涉及一種減小標準具效應的雷射器系統。

背景技術：

雷射由於其具有的高亮度、高相干性和高準直性等特點，在工業、通信、醫學、科學研究及社會生活等領域發揮了獨特而至關重要的作用。但是在一些對雷射器穩定性要求比較高的情況，因雷射器窗口或者光路整形元件會產生標準具效應影響雷射輸出光束穩定性。

單模雷射二極體，例如，一種運用二極體在發射波長方面的可調整性的DFB（分布式反饋雷射器）或VCSEL（垂直腔面發射雷射器）雷射器振蕩器部分容易受到因為標準具效應而產生的反射光的影響；並且更進一步地，載流子起伏引起的有源區折射率的起伏，使得原來穩定的諧振腔處於非穩態或者因為雷射器諧振作用沒有達到穩定的狀態；並且更進一步地增加了自然發射向振蕩模的耦合，整個過程反覆重複進行，增加了雷射器本身輸出的不穩定性，從而在應用過程中不能達到高靈敏度的檢查或者應用。

實用新型專利CN102195233A闡述了一種應用動態調節的方式降低標準具效應的方法，出了用於周期性改變光學元件相對於雷射二極體的位置和排列的一種可電控的動力裝置，從而使得殼中的雷射束的光徑長度周期性變化。光學元件的振蕩運動具有對由殼中雷射束的背反射導致的標準具效應和自混合效應進行時間平均的效果，由此降低雷射二極體結構的光學噪聲。該方法可以減小標準具效應帶來的雷射器系統的輸出光束的不穩定性，但是實施過程複雜，因為系統中有動態移動的元件，過程中容易造成系統因為動態元件的存在而帶來的系統不穩定因素，且過程中為動態元件提供動力的驅動電路，同樣也會造成系統的冗餘和不確定性。

技術實現要素：

本實用新型的目的就是為了解決現有技術中存在的上述問題，依靠諧振腔內光子和載流子的關係，通過改變諧振腔內平衡， 能夠有效的控制標準具效應帶來的雷射器系統輸出光束的不穩定性，提出一種性能穩定、能量損失少，適用於高效穩定雷射系統的一種減小標準具效應的雷射器系統。

本實用新型的目的通過以下技術方案來實現：一種減小標準具效應的雷射器系統，包括一沿光軸z方向放置的雷射器，還包括與所述雷射器間隙設置的直流偏置電路和調製信號發生器，所述雷射器內設有一諧振腔，所述雷射器與所述直流偏置電路和所述調製信號發生器電性連接，所述調製信號發生器為一高通交流迴路，所述高通交流迴路包括AC電源，所述AC電源的正極通過電容與所述雷射器的陰極連接，所述AC電源的負極與所述雷射器的陽極連接，所述直流偏置電路用於驅動所述雷射器，為所述雷射器提供泵浦用的載流子，所述調製信號發生器將調製信號和雷射器自身的寄生參數匹配，以改變雷射器諧振腔內光子的分布狀態。

優選地，還包括一與所述雷射器間隙設置的用於引導雷射光束和/或對雷射光束整形的光學元件。

優選地，所述直流偏置電路和所述調製信號發生器注入所述雷射器，所述調製信號發生器輸出的調製信號與雷射器自身的寄生參數構成共振關係，諧振腔輸出雷射模式增加，影響雷射器已經平衡的光子的分布的狀態，經過該狀態的光子再和外部反射雷射、光學元件的反射雷射與雷射器返回光相遇產生標準具效應，所述雷射器進而輸出穩定的雷射光束。

優選地，所述調製信號發生器可為數位訊號發生器或模擬信號發生器。

優選地，所述寄生參數為寄生電容或寄生電阻。

優選地，所述光學元件為一種衍射光學元件。

本實用新型技術方案的優點主要體現在：從空間上和時間上都減小了因為標準具效應而帶來的雷射器短時間內的功率波動，保證了整個雷射器系統的穩定性；能夠有效降低返回光對雷射器穩定性的影響，進而有效的減小標準具效應進而使得雷射器本身的穩定性降低。該雷射器系統結構簡單，簡便可行，在使用過程中能量損失少，可適用於高效穩定的雷射器系統，且具有低成本、易組裝調節、性能穩定等優點，可在產業中推廣應用。

附圖說明

參照附圖，本實用新型的公開內容將變得更易理解。本領域技術人員容易理解的是：這些附圖僅僅用於說明的目的，而並非意在對本實用新型的保護範圍構成限制。其中：

圖1是本實用新型實施例1雷射器系統的結構示意圖；

圖2是本實用新型調製信號電路的電路結構示意圖；

圖3是未使用該實用新型雷射器的相對光強分布圖；

圖4是本實用新型空間上雷射器的相對光強分布圖；

圖5是未使用該實用新型的雷射器結構原理圖；

圖6是本實用新型時間上雷射器的結構原理圖。

具體實施方式

本實用新型的目的、優點和特點，將通過下面優選實施例的非限制性說明進行圖示和解釋。這些實施例僅是應用本實用新型技術方案的典型範例，凡採取等同替換或者等效變換而形成的技術方案，均落在本實用新型要求保護的範圍之內。

如圖1所示，一種減小標準具效應的雷射器系統，包括一沿光軸z方向放置的雷射器（Laser）1，還包括與所述雷射器間隙設置的直流偏置電路2和調製信號發生器3。所述雷射器1內設有一諧振腔，所述諧振腔將泵浦用的載流子轉化為光子，並且受激輻射，形成穩定的雷射輸出。

所述雷射器1與所述直流偏置電路2和所述調製信號發生器3電性連接，具體地，所述直流偏置電路2的輸出端與所述雷射器的電極連接，所述調製信號發生器3的輸出端與所述雷射器的電極連接。所述直流偏置電路2和所述調製信號發生器3相當於是載流子的提供源頭，即能量的源頭，載流子通過諧振腔轉化為光子，光子受激輻射產生雷射。

所述直流偏置電路2用於驅動所述雷射器1，為所述雷射器1提供泵浦用的載流子，所述直流偏置電路2和雷射器的電學參數匹配，所述直流偏置電路2可為線性電源或穩定的開關電源，在本實施例中，所述直流偏置電路2優選為線性電源。所述調製信號發生器3將調製信號和雷射器自身的寄生參數匹配，以改變雷射器諧振腔內光子的分布狀態，在本實施例中，所述寄生參數為寄生電容或寄生電阻。

如圖2所示，所述直流偏置電路2為一低通直流迴路，所述低通直流迴路包括DC電源，所述DC電源的正極與雷射器的陰極連接，所述DC電源的負極通過電感與雷射器的陽極連接。在本技術方案中，所述直流偏置電路2為一電流恆定的恆流源，在低通直流迴路中，等效電感主要由電感組成的低通濾波，對高頻成分起到阻隔作用。如圖2所示，所述調製信號發生器3為一高通交流迴路，所述高通交流迴路包括AC電源，所述AC電源的正極通過電容與雷射器的陰極連接，所述AC電源的負極與雷射器的陽極連接，所述高通直流迴路主要由電容及AC信號源內阻抗，PCB走線構成，形成高頻通路，阻隔直流部分。在本技術方案中，所述調製信號發生器3可根據需要產生射頻範圍內的頻率，信號經過電容，走線耦合到雷射器裡，這裡的耦合是指交流耦合，直接調製，射頻調製的頻率範圍從300KHz～300GHz之間，所述射頻調製輸出的波形近似正弦波形。

如圖1所示，所述雷射器系統還包括一與所述雷射器1間隙設置的用於引導雷射光束和/或對雷射光束整形的光學元件4（DOE）。所述光學元件4為一種衍射光學元件，所述衍射光學元件4的材料可為熔融石英、光學玻璃或光學樹脂材料，在本實施例中，所述衍射光學元件4的材料優選為光學樹脂材料。之所以選用光學樹脂材料是因為光學樹脂具有以下優點：光學樹脂不僅透明透光性好，在可見光區，光學樹脂的透光率和玻璃相似，在紅外光區，光學樹脂的透光率比玻璃稍高，在紫外區，以0.4微米開始隨波長的減小透光率降低，波長小於0.3微米的光幾乎全部吸收；抗衝擊能力強，光學樹脂的衝擊力是玻璃的好幾倍，不易破碎，安全耐用。當然在工作過程中，也可選用光學玻璃，當在選用光學玻璃時，優選為德國SCHOTT肖特公司生產的BK7玻璃，相當於國內的K9玻璃，BK7玻璃的具體參數如下：折射率1.51680 ，耐酸性1 ，K氏硬度610。

所述衍射光學元件4由模壓或刻蝕工藝製成，所述衍射光學元件4適用於對Nd:YAG、CO2、飛秒雷射器、半導體雷射器等各種雷射器進行光束整形。所述衍射光學元件4的主要應用包括雷射光束整形（如雷射加工、醫療、成像系統、傳感器，圓形或方形平頂光束整形，矩陣、柵格、線形、圓形圖案整形）和用做天文學中的相位器件。

所述直流偏置電路2和所述調製信號發生器3注入雷射器1，所述調製信號發生器2輸出的調製信號與雷射器自身的寄生參數構成共振關係，諧振腔輸出雷射模式增加，影響雷射器已經平衡的光子的分布的狀態。所述調製信號部分要和雷射器的自身參數相匹配，兩者在匹配過程中可以讓調製信號部分有效地注入雷射器諧振腔中，對雷射器諧振腔內的載流子和光子的平衡有一定的影響作用。

所述直流偏置電路2和所述調製信號發生器3注入雷射器1後，所述雷射器1輸出雷射光束101，所述雷射光束101經過衍射光學元件4後輸出雷射光束102。

如圖1所示，反射光可以由外界耦合到所述雷射器1中，也可以由光學元件耦合到所述雷射器1中。具體為：在雷射光束傳輸過程中，所述雷射光101經過所述衍射光學元件輸出雷射光束102，因雷射器窗口或者衍射光學元件會產生標準具效應影響雷射輸出光束的穩定性。但是經過針對雷射器具體參數適配的調製信號，所述調製信號可以為模擬信號調製發生器或者高速數字調製信號發生器，在本實施例中，所述調製信號優選為高速數位訊號發生器，所述高速數位訊號發生器為和雷射器參數匹配的數位訊號調製。從空間上和時間上都減小了因為標註具效應而帶來的雷射器短時間內的功率波動，保證了整個雷射器系統的穩定性。

在本實施例中，所述雷射器1優選為多量子阱雷射器，通過多層速率方程模型和小信號分析的方法，得到了光子密度、載流子俘獲、逃逸和隧穿時間等關鍵參數對多量子阱雷射器頻率響應特性的影響。通過雷射器的寄生電參數及其寄生電路對其頻率響應進行了分析，得到其寄生電路並發現其中寄生電容對調製寬度的影響較大，寄生電容與調製信號的電路匹配，可以提高信號的注入效率。

該多量子阱雷射器波長和帶寬的關係為：

其中，α為展寬因子，與雷射器的設計有關，α為一常數。P為光功率，為絕熱啁啾，dp/dt為瞬態啁啾。啁啾是信號頻率隨時間變化，在脈衝前後沿由於調製產生頻率變化，使信號頻譜展寬，並用啁啾係數（亦稱線寬展寬因子）描述，這種變化可以是線性的，也可是非線性的。啁啾產生的原因主要是由於介質的折射率由於動態電信號調製的影響產生動態變化，從而引起在介質中傳播的光信號的相位也產生動態變化，這種相位的變化，直接就體現為光信號頻率的動態變化。

該多量子阱雷射器載流子和光子的關係方程為：

。

根據上式可知，光限制因子的增大會使微分增益隨之增大，同時多量子阱雷射器光子會有更大的弛豫振蕩效率；如果調製信號的參數和多量子阱雷射器弛豫振蕩效率相關，過程中會影響雷射器諧振腔內的模式的分布，可以穩定的產生更多個縱模的光的諧振狀態。在該過程中因為外界反射光或者雷射器窗口、光學元件等作用反射的雷射耦合到雷射器諧振腔中，標準具效應會因為雷射器縱模的增加而減弱或者是綜合作用能力對原有的諧振腔的模式分布的幹擾能力減弱，進一步地從空間上減小了自混合幹涉效應對雷射器穩定性的影響。

所述調製信號可以為模擬信號調製，也可以為和雷射器參數匹配的數位訊號的調製。所述調製信號的疊加，會平均單位探測時間內的外部反射的雷射或者因為雷射器窗口、衍射光學元件等作用的反射回的雷射產生的標準具效應的影響。由於調製信號的作用載流子和光子之間的轉換的滯後和光學調製的啁啾效應，進一步從時間上減小了標準具效應對雷射器穩定性的影響。

圖4是一種空間上減小標準具效應的雷射器的相對光強分布圖，圖3為未使用該實用新型雷射器的相對光強分布圖；圖5為使用本實用新型空間上雷射器的相對光強分布圖；圖3為未使用該實用新型的相對光強分布圖；圖4為使用該實用新型的相對光強分布圖。從圖4中可以看出所述直流偏置電路2和所述調製信號發生器3注入所述雷射器1後，原來的雷射器諧振腔的狀態被破壞，諧振腔內載流子和光子的轉換關係改變，諧振腔內的雷射器輸出的縱模的個數增加，體現到輸出光譜有譜寬的現象，這樣從空間上相似能量的返回光自混合到諧振腔中，對原來激射模式的光子的總體的影響效果與圖3未使用該實用新型的實例相比有很大的改善。

圖6是本實用新型的一種時間上減小標準具效應的雷射器結構原理圖，圖5為未使用該實用新型的雷射器結構原理圖；圖6為本實用新型時間上雷射器的結構原理圖。圖5為未使用該實用新型的實例，圖6為使用該實用新型的實例。從圖6中可以看出所述直流偏置電路2和所述調製信號發生器3注入所述雷射器後，原來的雷射器諧振腔的狀態被破壞，諧振腔內載流子和光子的轉換關係改變，載流子和光子的轉換滯後效應和調製帶來的啁啾效應，從時間維度上相似時間長度的返回光自混合到諧振腔中，對原來激射模式的光子的總體的影響效果與圖5未使用該實用新型的實例相比有很大的改善。

標準具效應對雷射的產生是很壞的影響，會直接影響所述雷射器1輸出光束的穩定性，甚至嚴重地會影響所述雷射器1的使用壽命。該系統從空間上和時間上都減小了因為標準具效應而帶來的雷射器短時間內的功率波動，保證了整個雷射器系統的穩定性。

一種減小雷射器系統標準具效應的方法，包括以下步驟：

S1：將直流偏置電路和調製信號發生器分別與雷射器的電極連接，所述直流偏置電路用於驅動雷射器，為雷射器提供泵浦用的載流子，所述雷射器內設有一諧振腔，所述諧振腔將泵浦用的載流子轉化為光子，並且受激輻射，形成穩定的雷射輸出，所述直流偏置電路和所述調製信號注入雷射器，所述調製信號發生器輸出調製信號，所述調製信號和雷射器自身的寄生參數匹配，以改變雷射器諧振腔內光子的分布狀態；

雷射器波長和帶寬的關係為：

其中，α為展寬因子，與雷射器的設計有關，α為一常數；P為光功率，為絕熱啁啾，dp/dt為瞬態啁啾；

雷射器載流子和光子的關係方程為：

S2：通過雷射器諧振腔匹配的載流子的注入，影響雷射器已經平衡的光子的分布的狀態，讓經過該狀態後的光子再和雷射器窗口或光學元件反射的雷射相遇形成標準具效應，提高雷射器輸出雷射的穩定性。

所述寄生參數為寄生電容或寄生電阻，所述直流偏置電路和所述調製信號注入到雷射器中，所述調製信號和所述寄生電容、所述寄生電阻構成共振關係，體現在光學輸出上為啁啾效應，諧振腔輸出雷射模式增加，微量返回光作用到所述雷射器後，多個模式的標準具效應對雷射器的影響小於等量的單個模式或少數模式的標準具效應對雷射器的影響，所述雷射器進而輸出穩定的雷射光束。

該雷射器系統結構簡單，在使用過程中簡便可行，依靠諧振腔光子和載流子的關係，通過改變諧振腔內平衡，可有效的減小標準具效應使得雷射器本身的穩定性降低，且在使用過程中能量損失少，並且具有低成本、易組裝調節、性能穩定等優點，可適用於高效穩定的雷射系統；在使用過程中不會造成雷射器系統的冗餘和不確定性。

對本領域技術人員而言，顯然本實用新型不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本實用新型的精神和基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本實用新型。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本實用新型的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化囊括在本實用新型內，不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。

此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但並非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。