專(zhuān)利名稱(chēng)：二極管激光陣列外腔鎖相幅度補(bǔ)償元件的設(shè)計(jì)及放置方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種二極管激光陣列外腔鎖相幅度補(bǔ)償元件的設(shè)計(jì)及放置方法，屬于半導(dǎo)體激光器的鎖相技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高功率二極管激光陣列在信息處理、激光泵浦、醫(yī)療、材料加工以及國(guó)防等領(lǐng)域有著十分廣泛的用途。但是自由運(yùn)轉(zhuǎn)情況下二極管激光陣列的光束質(zhì)量因子高達(dá)幾千，限制了它的高效率應(yīng)用。Talbot外腔鎖相技術(shù)是改善高功率二極管激光陣列光束質(zhì)量、拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域的有效技術(shù)。
目前，大功率二極管激光器陣列Talbot外腔鎖相存在模式選擇問(wèn)題，在電流不太高(I＜20A)的情況下，依靠偏轉(zhuǎn)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(nèi)不加任何補(bǔ)償元件時(shí)，往往得不到同相模的輸出。因此，二極管激光陣列在外腔鎖相時(shí)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(yuǎn)高于各個(gè)超模的閾值電流，因此同時(shí)起振的超模數(shù)目多于小電流情況下起振的超模數(shù)目，幾個(gè)超模同時(shí)振蕩導(dǎo)致輸出光束在遠(yuǎn)場(chǎng)的光強(qiáng)分布是多瓣的。在Talbot腔內(nèi)加入相位補(bǔ)償器可增加模式的區(qū)分能力，據(jù)報(bào)道，采用1/4 Talbot外腔，腔內(nèi)插入相位補(bǔ)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(yuǎn)場(chǎng)圖象為雙瓣模，實(shí)際上是異相模振蕩，這在許多場(chǎng)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(nèi)損耗強(qiáng)迫同相模起振，因此需要對(duì)幅度進(jìn)行補(bǔ)償。目前，外腔鎖相時(shí)幅度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟ€未見(jiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有外腔鎖相技術(shù)在大電流下模式選擇困難的缺陷，提供了一種二極管激光陣列外腔鎖相幅度補(bǔ)償元件的設(shè)計(jì)及放置方法，利用該方法設(shè)計(jì)的幅度補(bǔ)償元件放置于外腔中，能夠使二極管激光陣列外腔鎖相時(shí)獲得大功率的同相基模輸出。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的幅度補(bǔ)償元件是按以下方法設(shè)計(jì)的1)幅度補(bǔ)償元件的設(shè)計(jì)，根據(jù)二極管激光陣列外腔鎖相時(shí)在1/4或者1/2Talbot平面上同相模的分布進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)一定的二極管激光陣列，該平面上同相模的分布是一定的。為使同相模能透過(guò)該平面到達(dá)外腔鏡而高階模在該平面被阻擋或部分阻擋，設(shè)計(jì)幅度補(bǔ)償元件為具有周期性狹縫的物體，狹縫的數(shù)目大于或者等于該平面上同相模的數(shù)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(bǔ)償元件選用延展性、散熱性好的材料，厚度小于0.1mm。
3)將設(shè)計(jì)參數(shù)，即狹縫的數(shù)目、寬度和周期利用AutoCAD軟件輸入激光器，用激光器切割所選材料，制備出幅度補(bǔ)償元件2；或者采用化學(xué)腐蝕的方法制備幅度補(bǔ)償元件2。
幅度補(bǔ)償元件在腔內(nèi)的放置方法，具體步驟如下1)調(diào)節(jié)二極管激光陣列的1/4或1/2Talbot外腔鎖相系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)陣列的鎖相，通過(guò)光束質(zhì)量分析儀5觀察系統(tǒng)的輸出光束在慢軸的分布，當(dāng)光強(qiáng)由均勻分布變?yōu)橹芷谛苑植紩r(shí)即可。
2)在外腔中插入與外腔長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng)幅度補(bǔ)償元件2，調(diào)節(jié)其位置，使其緊貼外腔鏡3。
3)調(diào)節(jié)幅度補(bǔ)償元件2的橫向位置，使幅度補(bǔ)償元件的透過(guò)率函數(shù)和該面上的同相模分布相匹配，如圖5。該過(guò)程利用光束質(zhì)量分析儀5觀察系統(tǒng)的輸出光束在遠(yuǎn)場(chǎng)的分布可確定，幅度補(bǔ)償元件與同相模完全匹配時(shí)，輸出光強(qiáng)的遠(yuǎn)場(chǎng)花樣為單瓣。
二極管激光陣列在外腔鎖相時(shí)獲得大功率的同相模輸出依賴(lài)兩個(gè)條件，首先，陣列本身的輸出功率要大，這就意味著陣列應(yīng)大電流工作提高自身的輸出功率；其次，在外腔內(nèi)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(shí)，起振的高階模數(shù)目也隨之增多，因此在外腔內(nèi)擋住高階模，增大其損耗是必要的。按照分?jǐn)?shù)Talbot效應(yīng)，能確定給定二極管激光陣列在1/4 Talbot和1/2 Talbot平面上同相模和異相模的分布。在這兩個(gè)平面之一放置相應(yīng)的幅度補(bǔ)償元件，使同相模能通過(guò)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(dǎo)致無(wú)法起振，腔內(nèi)只有同相模在振蕩，鎖相陣列在遠(yuǎn)場(chǎng)單瓣光的輸出功率必將得到提高。
本發(fā)明用于在大電流(I＞20A)的情況下，大功率的二極管激光陣列在Talbot外腔鎖相中選擇同相模、增強(qiáng)同相模的輸出功率。


圖13個(gè)發(fā)光單元的同相模在1/4Talbot平面上的分布26個(gè)狹縫的幅度補(bǔ)償元件的透過(guò)率函數(shù)的分布圖；圖3幅度補(bǔ)償元件的參數(shù)設(shè)計(jì)；圖4幅度補(bǔ)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(bǔ)償元件透過(guò)率的分布匹配圖；圖6不加幅度補(bǔ)償元件時(shí)鎖相的遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布7加幅度補(bǔ)償元件時(shí)鎖相的遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布中1、二極管激光陣列，2、幅度補(bǔ)償元件，3、外腔鏡，4、凸透鏡，5、光束質(zhì)量分析儀。
具體實(shí)施例方式
本實(shí)施方式參見(jiàn)圖1～圖7，對(duì)nLIGHT公司生產(chǎn)的C1-60激光陣列，采用1/4 Talbot外腔鎖相系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)該陣列鎖相時(shí)的幅度補(bǔ)償。
1、制備幅度補(bǔ)償元件，步驟如下1)設(shè)計(jì)幅度補(bǔ)償元件的結(jié)構(gòu)，根據(jù)二極管激光陣列外腔鎖相時(shí)在1/4 Talbot平面上的光場(chǎng)分布設(shè)計(jì)。圖1給出了陣列3個(gè)發(fā)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(bǔ)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(shè)計(jì)的幅度補(bǔ)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(bǔ)償元件6個(gè)狹縫的透過(guò)率函數(shù)。該元件的其它參數(shù)見(jiàn)圖3。
2)該幅度補(bǔ)償元件的材料選用厚度為0.05mm的銅箔。
3)該幅度補(bǔ)償元件利用倍頻激光器按照設(shè)計(jì)圖3進(jìn)行切割。
2、幅度補(bǔ)償元件在腔內(nèi)的放置，如圖4所示，步驟如下1)調(diào)節(jié)二極管激光陣列的1/4 Talbot外腔鎖相系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)陣列的鎖相，通過(guò)光束質(zhì)量分析儀5觀察系統(tǒng)的輸出光束在慢軸的分布，當(dāng)光強(qiáng)由均勻分布變?yōu)橹芷谛苑植紩r(shí)即可。
2)在外腔中插入幅度補(bǔ)償元件2，調(diào)節(jié)其位置，使其緊貼外腔鏡3。
3)調(diào)節(jié)幅度補(bǔ)償元件2的橫向位置(沿慢軸)，使幅度補(bǔ)償元件的透過(guò)率函數(shù)和該面上的同相模分布相匹配，如圖5。該過(guò)程利用光束質(zhì)量分析儀5觀察系統(tǒng)的輸出光束在遠(yuǎn)場(chǎng)的分布可確定，幅度補(bǔ)償元件與同相模完全匹配時(shí)，輸出光強(qiáng)的遠(yuǎn)場(chǎng)花樣為單瓣。
比較二極管激光陣列在25A、12℃時(shí)沒(méi)有進(jìn)行幅度補(bǔ)償時(shí)的鎖相(圖6)和進(jìn)行幅度補(bǔ)償時(shí)的鎖相(圖7)表明本發(fā)明在大功率二極管激光陣列的外腔鎖相中，依靠抑制高階模來(lái)獲得同相模的相干光輸出是有效的。
權(quán)利要求
1.二極管激光陣列外腔鎖相幅度補(bǔ)償元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該幅度補(bǔ)償元件是按如下方法設(shè)計(jì)的1)根據(jù)二極管激光陣列外腔鎖相時(shí)在1/4或1/2Talbot平面上同相模的分布進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)一定的二極管激光陣列，該平面上同相模的分布是一定的。為使同相模能透過(guò)該平面到達(dá)外腔鏡而高階模在該平面被阻擋或部分阻擋，設(shè)計(jì)幅度補(bǔ)償元件為具有周期性狹縫的物體，狹縫的數(shù)目大于或者等于該平面上同相模的數(shù)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(bǔ)償元件選用延展性、散熱性好的材料，厚度小于0.1mm；3)將設(shè)計(jì)參數(shù)，即狹縫的數(shù)目、寬度和周期利用AutoCAD軟件輸入激光器，用激光器切割所選材料，制備出幅度補(bǔ)償元件(2)，或者采用化學(xué)腐蝕的方法制備幅度補(bǔ)償元件(2)。
2.按照權(quán)利要求1的方法設(shè)計(jì)的幅度補(bǔ)償元件在腔內(nèi)的放置方法，其特征在于，是按以下步驟進(jìn)行放置的1)調(diào)節(jié)二極管激光陣列的1/4或1/2Talbot外腔鎖相系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)陣列的鎖相，通過(guò)光束質(zhì)量分析儀(5)觀察系統(tǒng)的輸出光束在慢軸的分布，當(dāng)光強(qiáng)由均勻分布變?yōu)橹芷谛苑植紩r(shí)即可。2)在外腔中插入與外腔長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng)的幅度補(bǔ)償元件(2)，調(diào)節(jié)其位置，使其緊貼外腔鏡(3)。3)調(diào)節(jié)幅度補(bǔ)償元件(2)的橫向位置，使幅度補(bǔ)償元件的透過(guò)率函數(shù)和該面上的同相模分布相匹配，該過(guò)程利用光束質(zhì)量分析儀(5)觀察系統(tǒng)的輸出光束在遠(yuǎn)場(chǎng)的分布可確定，幅度補(bǔ)償元件與同相模完全匹配時(shí)，輸出光強(qiáng)的遠(yuǎn)場(chǎng)花樣為單瓣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種二極管激光陣列外腔鎖相幅度補(bǔ)償元件的設(shè)計(jì)及放置方法，屬于半導(dǎo)體激光器的鎖相技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是根據(jù)二極管激光陣列外腔鎖相時(shí)在1/4或1/2 Talbot平面上同相模的分布進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的幅度補(bǔ)償元件為具有周期性狹縫的物體，狹縫的數(shù)目大于或者等于該平面上同相模的數(shù)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(shí)還提供一種該幅度補(bǔ)償元件在腔內(nèi)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(fā)明用于在大電流(I＞20A)的情況下，大功率的二極管激光陣列在外腔鎖相中選擇同相模、增強(qiáng)同相模的輸出功率。
文檔編號(hào)H01S5/00GK1877932SQ200610081229
公開(kāi)日2006年12月13日 申請(qǐng)日期2006年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月26日
發(fā)明者李強(qiáng), 趙鵬飛, 郭渭榮 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)