專利名稱：一種方向可控激光器系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種方向可控激光器系統(tǒng)，特別是一種全光纖新型組合式激光系統(tǒng)。此外，本系統(tǒng)可以實現基于光學相控陣激光技術的快速靈活的光束方向驅動，其驅動角度范圍大，而且驅動角度連續(xù)。
背景技術：
根據工業(yè)、軍事等領域的需求，激光器未來的發(fā)展趨勢是:高能量、高光束質量、高效率、靈活緊湊。然而，隨著泵浦功率的增加，高功率的固體激光器存在熱透鏡效應、光纖激光器存在非線性效應和損傷閾值，因此其發(fā)展空間均存在一定極限。考慮到體積小、效率高、價格便宜的半導體陣列激光器的陣列單元可以擴展，有效提高激光器系統(tǒng)功率；光纖的傳輸模式好、損耗低。為此，預計新一代激光器的發(fā)展趨勢是:半導體-全光纖組合式激光系統(tǒng)。目前激光束方向的驅動主要有兩種方式。一種是傳統(tǒng)的機械控制，其結構簡單，但方向轉變速度慢、不靈活；另一種是光學相位陣列控制，當光通過相移器時，相移器的每個陣列單元的相位被調制，從而實現某一特定方向的激光輸出，為了避免不需要的柵瓣，需要陣
列單元間距小于但是由于要考慮到各移相器電極邊緣效應影響調制單元電中性、相
鄰單元電場互相影響、相鄰光場干擾電場，再加上電極之間絕緣的要求和制造工藝的限制，陣列單元間距很難達到上述要求，從而使驅動角度的范圍受到一定限制(在發(fā)明內容中將詳述)。專利us20050201492-Al中，該相控陣激光系統(tǒng)采用LC做相移器、外差檢波反饋實現相位控制，其輸出功率高、工作穩(wěn)定，但驅動角度準連續(xù)、角度驅動最大不超過45度。專利W09924866-A中，ZHU Y，ZHU R等人提出依據一定統(tǒng)計規(guī)律，使陣列單元不規(guī)則排列，這樣可使部分陣列單元間距增加，由于單元不規(guī)則排列，使旁瓣轉化為噪聲從而突出主光束，此方法對加工工藝起到改善作用，但對光學相控陣技術的研究沒有本質性的突破。此外，光學相控陣由于單元數目多，因此控制系統(tǒng)龐大，結構復雜，在輻射孔徑幾何尺寸和陣列單元數目一定時，為了減少控制線，TerryA.Dorschner等人提出將孔徑陣列分成子陣列，并使子陣列相應陣列單元的控制線并聯(lián)，實現“fine/coarse”光束驅動方法，但此方法光束驅動角度范圍小、驅動角度不連續(xù)。根據以上分析，本發(fā)明將設計一種基于相控陣原理的新型光束驅動系統(tǒng)，以實現光束大角度且連續(xù)驅動。

發(fā)明內容
本發(fā)明據此提出一種半導體陣列激光器作光源、光纖拉錐陣列作波導的組合式激光系統(tǒng)，實現了激光光束方向驅動的功能。為了獲得大角度且連續(xù)驅動的激光束，本發(fā)明公開了一種相控陣激光器系統(tǒng)。由激光源、波導和耦合輸出鏡構成一種新型組合式激光器，通過自調節(jié)鎖相，可以獲得高光束質量、大孔徑的高功率激光輸出；在此基礎上，使用相位控制系統(tǒng)，可以實現對光束方向的驅動控制。
本發(fā)明采用如下有技術方案:一種方向可控激光器系統(tǒng)包括依次連接的激光源、波導、相位控制系統(tǒng)。所述的激光源包括:半導體激光器陣列1，為本系統(tǒng)提供光源，其中每個發(fā)光單元鍍增透膜；微透鏡陣列2，將半導體激光器陣列I的發(fā)光單元發(fā)出的光整形并耦合進光纖。半導體激光器陣列I主要由半導體激光器構成，而半導體激光器輻射出的激光分為快軸和慢軸，其中平行PN結的方向為慢軸方向，垂直PN結的方向為快軸方向，快、慢軸光束特性不同。其中快軸光束質量較好，但發(fā)散角較大，通常為30° 60° (全角)；而慢軸光束質量不好，發(fā)散角通常為10° 20° (全角)。為了在傳輸過程中，更有效的對光進行控制，采用微透鏡陣列2 (其結構分三個部分，即快軸準直、慢軸準直、聚焦)作為準直聚焦系統(tǒng)，半導體激光陣列I發(fā)出的激光束，經過微透鏡陣列2，首先進行快軸準直和慢軸準直，然后聚焦，使光束質量均勻化，最后，經過處理后的激光束耦合進光纖拉錐陣列。所述的波導是針對本發(fā)明研制的光纖拉錐陣列。由于光纖柔韌度好、易整合成各種陣列形式、傳輸損耗低、不改變光束性質(光束質量)，因此選作光波導，并根據本發(fā)明原理進行特別加工處理(光纖拉錐)。所述的光纖拉錐陣列包括依次連接的對準段1、拉錐集束耦合段II和拉錐重排段III。對準段I以采用半導體陣列激光器一個bar條為例，其輻射單元排列為一維線陣，選用與半導體激光器陣列輻射單元數目相同的N根單模光纖。將光纖的一端排列成線形并固定在一個平板上，其間距與半導體陣列激光器bar條的輻射單元間距、微透鏡陣列單元間距相等，以使光一對一的耦合進光纖陣列，此固定段定義為對準段I ;拉錐集束耦合段II光纖的中間部分是此光纖拉錐陣列的關鍵，在制作中，首先需要去除每根光纖的涂敷層，之后將N根光纖緊密排列，采用熔融拉錐的方法，將密排的多根光纖沿縱向拉伸，在各光纖纖芯和包層體積不變的情況下使光纖直徑減小，從而使兩根光纖之間的距離減小，達到增強光纖內傳導光的相互耦合效應的目的，根據兩相鄰波導之間的模式耦合理論，當兩個介質波導靠得很近時，由于消逝場的作用，會發(fā)生兩個波導之間的能量交換，一個模式的功率可以完全轉移到另一個模式中，這種類型的耦合是由于波導表面幾何形狀或者折射率的周期性變化引起的。傳播常數相等或者接近相等的模式間可以發(fā)生有效的耦合，兩個波導越近，消逝場的場強越強，耦合現象也越明顯，因此拉錐長度要以光在此段最佳相互作用耦合為依據。此段定義為拉錐集束耦合段II。拉錐重排段III將每根光纖的另一端分別拉錐到納米量級，并且利用光纖柔韌性好的優(yōu)點根據所需出射光束的形狀，排成固定一維線形或二維面形，此固定段定義為拉錐重排段III。此段作為激光器系統(tǒng)的出射端，光纖可重排成圓形排列、正四邊形排列。對于尺寸相同的出射孔徑，正四邊形排列方式可以減少單元數目，從而適當減弱系統(tǒng)的復雜性；而圓形排列方式，由于單元數目相對多，因此輸出功率較正四邊形排列大。在實際應用中可以針對不同需要，選擇不同的出射陣列。拉錐重排段III，是拉錐光纖陣列的關鍵之一，經過整形處理、耦合、相位調制后的各光束通過此段出射后，在空間相干合成為一束光。作為出射端，其拉錐精度和重排后單元間距影響著光驅動角度的范圍。當輻射單元間距時，會在主光束(main beam)以外的
其它方向同時出現輻射功率最大值，這些方向的波瓣成為柵瓣(grating lobes)，而且單元間距越大，柵瓣越明顯。柵瓣會使驅動角范圍縮小，因此減小單元間距是擴大驅動角范圍的可行途徑。進一步說明，sinθ8-sinθ0,| = nλ/d，(其中0。為主光束方向，0g為柵瓣方向，d為輻
射單元間距，X為輻射波長，n為任意整數)。當單元間距^ = 當主光束方向為0^90°
時，會在-90°方向產生柵瓣。例如，驅動主光束方向，為了避免柵瓣，單元間距d≤0.54入。所述的相位控制系統(tǒng)包括鈦擴散鈮酸鋰(Ti_LiNb03)集成光波導移相器。所述相位控制系統(tǒng)可以精確控制每個單元的相位延遲。本發(fā)明的光束方向驅動功能是根據相控陣理論設計的。光波在空間各點是逐步傳播的，自點光源發(fā)出的波振面上的每一點可視為一個新的振源，由它們發(fā)出次級波，經過一段時間后，新的波振面為各次級波的包絡面?，F在以一維線陣為例，若各個輻射單元頻率和初始相位都相等，各輻射單元產生的波相互干涉，光波傳播方向垂直于線陣列。若改變輻射單元初始相位，使相鄰單元相位差為經過一段時間，在0方向上實現相同相位，各波前相干疊加，則光波沿特定角度0傳播。相控陣理論，就是將多個輻射單元排成陣列形式，各單元之間的相位關系是可以控制的，通過驅動輻射單元相位，可以獲得任何所需角度的光。在本發(fā)明中，采用鈦擴散鈮酸鋰(Ti_LiNb03)集成光波導作相位控制器，在集成光波導上施加相應電壓使得相鄰單元產生固定相位差，從而獲得沿某一特定方向輸出的激光，實現對光束方向的控制。鈦擴散鈮酸鋰(Ti_LiNB03)集成光波導移相器是基于集成光學而設計的一種新型的集成相位調制器件，它具有體積小、半波電壓低((6V)、穩(wěn)定性好、控制精度高，響應速度快等優(yōu)點，而且能夠實現單模低損耗傳輸，控制相位連續(xù)變化，以及能與單模光纖很好的匹配。在本發(fā)明具體實施方式
中，會具體說明移相方法。對于目前現有的米用光學相控陣原理以驅動光束方向的各種方法,都是在光出射孔徑處裝置獨立的相移器，當光通過相移器時，相移器的每個陣列單元的相位被調制，從而實現某一特定方向的激光輸出。對此類光學相控陣，考慮到各相移器電極邊緣效應影響調制單元電中性、相鄰單元電場互相影響、相鄰光場干擾電場，再加上電極之間絕緣的要求和
制造工藝的限制，陣列單元間距不能達到^ S *的要求，依然存在“柵瓣”問題，而且無論采
用一定統(tǒng)計規(guī)律使陣列單元不規(guī)則排列，還是引進“子陣列”概念以實現“fine/coarse”光束驅動，都會使光驅動角度的范圍受到一定限制。而本發(fā)明采用了一種全新的相控陣裝置結構，使用鈦擴散鈮酸鋰(Ti_LiNB03)集成光波導作相位控制器、光波導為出射單元，這樣，相位控制端和出射孔徑端分離，可以使出射陣列單元間距縮小，從而起到抑制旁瓣和增大偏轉角度的作用，而且，采用鈦擴散鈮酸鋰(Ti_LiNB03)集成光波導做相位控制器，使偏轉角度更加精確可調，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也得到提1 。


圖1:相控陣激光器系統(tǒng)裝置圖；圖2:新型組合式激光系統(tǒng)裝置圖；圖3:出射光束單元排列示意圖；圖4:半導體激光器輻射光束示意圖；圖5:相控陣原理圖；圖6:鈦擴散鈮酸鋰(Ti_LiNB03)集成光波導移相器工作原理圖；圖1:多段拉錐示意圖；圖中:①-激光源，②-半導體激光陣列激光器bar條1，③-微透鏡陣列2，④-對準段I⑤-波導(光纖拉錐陣列3)，⑥-拉錐集束耦合段II，⑦相位控制系統(tǒng)⑧相位控制器，⑨鈦擴散鈮酸鋰(Ti_LiNB03)集成光波導，⑩-拉錐重排段III -耦合輸出鏡4 O -半導體激光器快軸(60° 80° ) -匱軸(10° 20° )， _電極， _電壓控制電路，◎-摻鈦波導區(qū) -LiNO3基底
具體實施例方式圖1是本發(fā)明的相控陣激光器系統(tǒng)裝置圖。本發(fā)明運用半導體陣列激光器做激光源，其轉換效率高，體積小；光纖拉錐陣列做波導，其導光性能好、不改變光束性質，損耗低、柔韌性好；運用自調節(jié)鎖相方式 ，研制出一種新型組合式激光器(如圖2所示)，而且在此基礎上對每個波導單元進行相位控制，實現快速靈活的光束方向驅動。特別的，隨著半導體激光器的發(fā)展以及更多波導器件的研制，本發(fā)明有很大的發(fā)展空間。首先介紹針對本發(fā)明的光纖拉錐陣列的制作方法，光纖拉錐陣列由三部分組成:對準段1、拉錐集束耦合段II和拉錐重排段III。1.對準段I首先將光纖一端(定義為:對準段I )分別去除涂覆層成為裸纖，再把其排列在V型槽底板上，并使裸纖間距等于半導體陣列激光器發(fā)光單元間距，之后蓋上蓋板(蓋板形狀可以是平板蓋板、V型槽形蓋板)，再涂上固化膠固定光纖(對于二維半導體激光陣列，則需把固定好的光纖一層一層的疊放并固定在一起)。2.拉錐集束耦合段II將光纖中間某一部分(定義為:拉錐集束耦合段II)分別去除涂覆層，之后將光纖對準段I 一端固定，另一端采用步進電機牽引，由加熱器對集束耦合段II加熱，當溫度大于玻璃熔化溫度而小于光纖解體溫度時，啟動步進電機進行拉錐。3.拉錐重排段III如上述拉錐方法，將光纖另一端(定義為:拉錐重排段III)的直徑拉至納米量級，其拉錐過程使用電子顯微鏡控制。之后將處理過的拉錐重排段III排列成正四邊形、圓形等二維面并用膠固定(如圖3)。、本發(fā)明采用的相位控制器為鈦擴散鈮酸鋰(Ti_LiNB03)集成光波導移相器。如圖6a所示，是一個兩路的集成光波導移相器(基于此可擴展成N路集成光波導移相器)，電極等間距的排列在波導區(qū)的兩側，且每路波導的長度相等，每個電極的長度也相等。為了獲得較好的光束質量，將每一路波導都做成單模(基模)傳輸波導。圖6b是其中一路波導的截面圖，當在波導區(qū)兩側的電極上施加電壓，在電場作用下，鈮酸鋰晶體發(fā)生雙
折射效應，其折射率變化的絕對值可表示為:
權利要求
1.一種方向可控激光器系統(tǒng)，其特征在于:包括依次連接的激光源、波導、相位控制系統(tǒng)； 所述的激光源包括:半導體激光器陣列(1)，為本系統(tǒng)提供光源，其中每個發(fā)光單元鍍增透膜；微透鏡陣列(2)，將半導體激光器陣列(I)的發(fā)光單元發(fā)出的光整形并耦合進光纖; 所述的波導是光纖拉錐陣列；所述的光纖拉錐陣列包括依次連接的對準段1、拉錐集束耦合段II和拉錐重排段III ； 所述的相位控制系統(tǒng)包括鈦擴散鈮酸鋰集成光波導移相器。
2.根據權利要求1所述的一種方向可控激光器系統(tǒng)，其特征在于: 對準段I 將輻射單元排列為一維線陣，選用與半導體激光器陣列輻射單元數目相同根數的單模光纖。將光纖的一端排列成線形并固定在一個平板上，間距與半導體陣列激光器bar條的輻射單元間距、微透鏡陣列單元間距相等，以使光一對一的耦合進光纖陣列，此固定段定義為對準段I; 拉錐集束耦合段II 去除每根光纖的涂敷層，之后將N根光纖緊密排列，采用熔融拉錐的方法，將密排的光纖沿縱向拉伸，在各光纖纖芯和包層體積不變的情況下使光纖直徑減小，從而使兩根光纖之間的距離減小，達到增強光纖內傳導光的相互耦合效應的目的； 拉錐重排段III 將每根光纖的另一端分別拉錐到納米量級，并且利用光纖柔韌性好的優(yōu)點根據所需出射光束的形狀，排成固定一維線形或二維面形，此固定段定義為拉錐重排段III。此段作為激光器系統(tǒng)的出射端，光纖可重排成圓形排列或正四邊形排列。
全文摘要
一種方向可控激光器系統(tǒng)，屬于激光器技術領域，其包括依次連接的激光源、波導、相位控制系統(tǒng)；所述的激光源包括半導體激光器陣列(1)，為本系統(tǒng)提供光源，其中每個發(fā)光單元鍍增透膜；微透鏡陣列(2)，將半導體激光器陣列(1)的發(fā)光單元發(fā)出的光整形并耦合進光纖；所述的波導是針對本發(fā)明研制的光纖拉錐陣列；所述的光纖拉錐陣列包括依次連接的對準段Ⅰ、拉錐集束耦合段Ⅱ和拉錐重排段Ⅲ；所述的相位控制系統(tǒng)包括鈦擴散鈮酸鋰集成光波導移相器。本發(fā)明使偏轉角度更加精確可調，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也得到提高。
文檔編號H01S5/06GK103094837SQ20131001450
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月15日 優(yōu)先權日2013年1月15日
發(fā)明者楊登才, 王大勇, 楊作運, 趙思思 申請人:北京工業(yè)大學