二極體雷射陣列外腔鎖相幅度補償元件的設計及放置方法
2023-07-19 09:45:31
專利名稱：二極體雷射陣列外腔鎖相幅度補償元件的設計及放置方法
技術領域：
本發明涉及一種二極體雷射陣列外腔鎖相幅度補償元件的設計及放置方法，屬於半導體雷射器的鎖相技術領域。
背景技術：
高功率二極體雷射陣列在信息處理、雷射泵浦、醫療、材料加工以及國防等領域有著十分廣泛的用途。但是自由運轉情況下二極體雷射陣列的光束質量因子高達幾千，限制了它的高效率應用。Talbot外腔鎖相技術是改善高功率二極體雷射陣列光束質量、拓寬其應用領域的有效技術。
目前，大功率二極體雷射器陣列Talbot外腔鎖相存在模式選擇問題，在電流不太高(I＜20A)的情況下，依靠偏轉外腔鏡可以獲得同相模的輸出，但是，在大電流情況下(I＞20A)，腔內不加任何補償元件時，往往得不到同相模的輸出。因此，二極體雷射陣列在外腔鎖相時難以得到大功率的單瓣光輸出。究其原因，在大電流的情況下，注入電流遠高於各個超模的閾值電流，因此同時起振的超模數目多於小電流情況下起振的超模數目，幾個超模同時振蕩導致輸出光束在遠場的光強分布是多瓣的。在Talbot腔內加入相位補償器可增加模式的區分能力，據報導，採用1/4 Talbot外腔，腔內插入相位補償器可以獲得10W的輸出功率，這是目前外腔鎖相的最大輸出功率，但其遠場圖象為雙瓣模，實際上是異相模振蕩，這在許多場合是不適用的。為了得到大功率的單瓣光輸出，還需要加大高階超模的腔內損耗強迫同相模起振，因此需要對幅度進行補償。目前，外腔鎖相時幅度補償的方法還未見報導。
發明內容
本發明的目的在於克服現有外腔鎖相技術在大電流下模式選擇困難的缺陷，提供了一種二極體雷射陣列外腔鎖相幅度補償元件的設計及放置方法，利用該方法設計的幅度補償元件放置於外腔中，能夠使二極體雷射陣列外腔鎖相時獲得大功率的同相基模輸出。
為了實現上述目的，本發明的幅度補償元件是按以下方法設計的1)幅度補償元件的設計，根據二極體雷射陣列外腔鎖相時在1/4或者1/2Talbot平面上同相模的分布進行設計，對一定的二極體雷射陣列，該平面上同相模的分布是一定的。為使同相模能透過該平面到達外腔鏡而高階模在該平面被阻擋或部分阻擋，設計幅度補償元件為具有周期性狹縫的物體，狹縫的數目大於或者等於該平面上同相模的數目，狹縫的寬度與該平面上同相模的半高寬度相同，狹縫的周期與該平面上同相模分布的周期相同。
2)幅度補償元件選用延展性、散熱性好的材料，厚度小於0.1mm。
3)將設計參數，即狹縫的數目、寬度和周期利用AutoCAD軟體輸入雷射器，用雷射器切割所選材料，製備出幅度補償元件2；或者採用化學腐蝕的方法製備幅度補償元件2。
幅度補償元件在腔內的放置方法，具體步驟如下1)調節二極體雷射陣列的1/4或1/2Talbot外腔鎖相系統，實現陣列的鎖相，通過光束質量分析儀5觀察系統的輸出光束在慢軸的分布，當光強由均勻分布變為周期性分布時即可。
2)在外腔中插入與外腔長度相對應幅度補償元件2，調節其位置，使其緊貼外腔鏡3。
3)調節幅度補償元件2的橫向位置，使幅度補償元件的透過率函數和該面上的同相模分布相匹配，如圖5。該過程利用光束質量分析儀5觀察系統的輸出光束在遠場的分布可確定，幅度補償元件與同相模完全匹配時，輸出光強的遠場花樣為單瓣。
二極體雷射陣列在外腔鎖相時獲得大功率的同相模輸出依賴兩個條件，首先，陣列本身的輸出功率要大，這就意味著陣列應大電流工作提高自身的輸出功率；其次，在外腔內只有同相模振蕩，其它模式不被起振，才有可能獲得大功率的同相模輸出。在增大注入電流的同時，起振的高階模數目也隨之增多，因此在外腔內擋住高階模，增大其損耗是必要的。按照分數Talbot效應，能確定給定二極體雷射陣列在1/4 Talbot和1/2 Talbot平面上同相模和異相模的分布。在這兩個平面之一放置相應的幅度補償元件，使同相模能通過該平面，而異相模被阻擋，其它高階模被完全或被部分阻擋。這樣，高階模的損耗增大、閾值電流升高導致無法起振，腔內只有同相模在振蕩，鎖相陣列在遠場單瓣光的輸出功率必將得到提高。
本發明用於在大電流(I＞20A)的情況下，大功率的二極體雷射陣列在Talbot外腔鎖相中選擇同相模、增強同相模的輸出功率。
圖13個發光單元的同相模在1/4Talbot平面上的分布26個狹縫的幅度補償元件的透過率函數的分布圖；圖3幅度補償元件的參數設計；圖4幅度補償元件在外腔中的位置；圖51/4 Talbot平面上同相模的分布和幅度補償元件透過率的分布匹配圖；圖6不加幅度補償元件時鎖相的遠場光強分布7加幅度補償元件時鎖相的遠場光強分布中1、二極體雷射陣列，2、幅度補償元件，3、外腔鏡，4、凸透鏡，5、光束質量分析儀。
具體實施例方式
本實施方式參見圖1～圖7，對nLIGHT公司生產的C1-60雷射陣列，採用1/4 Talbot外腔鎖相系統來實現該陣列鎖相時的幅度補償。
1、製備幅度補償元件，步驟如下1)設計幅度補償元件的結構，根據二極體雷射陣列外腔鎖相時在1/4 Talbot平面上的光場分布設計。圖1給出了陣列3個發光單元的同相模在1/4 Talbot平面上的分布，同相模的半高寬度是50μm，周期是100μm。幅度補償元件的縫寬和周期與該平面上同相模的半高寬度和周期相同，由此設計的幅度補償元件為縫寬是50μm，周期是100μm的狹縫陣列。圖2給出了該幅度補償元件6個狹縫的透過率函數。該元件的其它參數見圖3。
2)該幅度補償元件的材料選用厚度為0.05mm的銅箔。
3)該幅度補償元件利用倍頻雷射器按照設計圖3進行切割。
2、幅度補償元件在腔內的放置，如圖4所示，步驟如下1)調節二極體雷射陣列的1/4 Talbot外腔鎖相系統，實現陣列的鎖相，通過光束質量分析儀5觀察系統的輸出光束在慢軸的分布，當光強由均勻分布變為周期性分布時即可。
2)在外腔中插入幅度補償元件2，調節其位置，使其緊貼外腔鏡3。
3)調節幅度補償元件2的橫向位置(沿慢軸)，使幅度補償元件的透過率函數和該面上的同相模分布相匹配，如圖5。該過程利用光束質量分析儀5觀察系統的輸出光束在遠場的分布可確定，幅度補償元件與同相模完全匹配時，輸出光強的遠場花樣為單瓣。
比較二極體雷射陣列在25A、12℃時沒有進行幅度補償時的鎖相(圖6)和進行幅度補償時的鎖相(圖7)表明本發明在大功率二極體雷射陣列的外腔鎖相中，依靠抑制高階模來獲得同相模的相干光輸出是有效的。
權利要求
1.二極體雷射陣列外腔鎖相幅度補償元件的設計方法，其特徵在於，該幅度補償元件是按如下方法設計的1)根據二極體雷射陣列外腔鎖相時在1/4或1/2Talbot平面上同相模的分布進行設計，對一定的二極體雷射陣列，該平面上同相模的分布是一定的。為使同相模能透過該平面到達外腔鏡而高階模在該平面被阻擋或部分阻擋，設計幅度補償元件為具有周期性狹縫的物體，狹縫的數目大於或者等於該平面上同相模的數目，狹縫的寬度與該平面上同相模的半高寬度相同，狹縫的周期與該平面上同相模分布的周期相同；2)幅度補償元件選用延展性、散熱性好的材料，厚度小於0.1mm；3)將設計參數，即狹縫的數目、寬度和周期利用AutoCAD軟體輸入雷射器，用雷射器切割所選材料，製備出幅度補償元件(2)，或者採用化學腐蝕的方法製備幅度補償元件(2)。
2.按照權利要求1的方法設計的幅度補償元件在腔內的放置方法，其特徵在於，是按以下步驟進行放置的1)調節二極體雷射陣列的1/4或1/2Talbot外腔鎖相系統，實現陣列的鎖相，通過光束質量分析儀(5)觀察系統的輸出光束在慢軸的分布，當光強由均勻分布變為周期性分布時即可。2)在外腔中插入與外腔長度相對應的幅度補償元件(2)，調節其位置，使其緊貼外腔鏡(3)。3)調節幅度補償元件(2)的橫向位置，使幅度補償元件的透過率函數和該面上的同相模分布相匹配，該過程利用光束質量分析儀(5)觀察系統的輸出光束在遠場的分布可確定，幅度補償元件與同相模完全匹配時，輸出光強的遠場花樣為單瓣。
全文摘要
本發明涉及一種二極體雷射陣列外腔鎖相幅度補償元件的設計及放置方法，屬於半導體雷射器的鎖相技術領域。本發明是根據二極體雷射陣列外腔鎖相時在1/4或1/2 Talbot平面上同相模的分布進行設計，設計的幅度補償元件為具有周期性狹縫的物體，狹縫的數目大於或者等於該平面上同相模的數目，狹縫的寬度與該平面上同相模的半高寬度相同，狹縫的周期與該平面上同相模分布的周期相同。同時還提供一種該幅度補償元件在腔內的放置方法，利用該方法能夠得到大功率的同相模輸出。本發明用於在大電流(I＞20A)的情況下，大功率的二極體雷射陣列在外腔鎖相中選擇同相模、增強同相模的輸出功率。
文檔編號H01S5/00GK1877932SQ200610081229
公開日2006年12月13日 申請日期2006年5月26日 優先權日2006年5月26日
發明者李強, 趙鵬飛, 郭渭榮 申請人:北京工業大學