專利名稱：一種應(yīng)用光纖耦合的半導(dǎo)體激光器的外腔相干鎖相方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用光纖耦合的半導(dǎo)體激光器的外腔相干鎖相方法，屬于激光多光束整形、耦合及其相干光模式鎖定技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于大功率半導(dǎo)體激光器各發(fā)光單元是光電隔離，輸出輻射在空間上是非相干的、光場(chǎng)分布不均勻、光束質(zhì)量差。如果幾個(gè)參數(shù)相同的激光器發(fā)出的光在一個(gè)共有的諧振腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)疊加，會(huì)發(fā)生相位自動(dòng)鎖定過(guò)程從而在諧振腔內(nèi)形成相干激光振蕩。外腔鎖相相干技術(shù)正是實(shí)現(xiàn)相干激光振蕩的技術(shù)，它是在半導(dǎo)體激光器外形成新的諧振腔來(lái)鎖定每個(gè)激光單元的位相，從而獲得近衍射的相干輸出。這個(gè)技術(shù)提高了半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量和亮度。
目前的外腔鎖相技術(shù)通過(guò)在半導(dǎo)體激光器外加入具有一定反射率的光學(xué)外腔鏡或位相共軛鏡等形成外腔，利用光輻射在外腔中傳播時(shí)的衍射作用產(chǎn)生鎖相的效果。主要有主動(dòng)相位控制法、空間濾波法以及Talbot外腔法。其中，主動(dòng)相位控制法通過(guò)外部光電檢測(cè)、控制每個(gè)激光單元的位相，使各個(gè)單元間達(dá)到相位一致，獲得耦合輸出、改善光束質(zhì)量。但是在大功率激光輸出需要鎖相的半導(dǎo)體激光單元非常多，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)單元的快速、精密且復(fù)雜的相位測(cè)控?？臻g濾波法采用了復(fù)雜的濾波光學(xué)元件，需要進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)和調(diào)整才能實(shí)現(xiàn)，過(guò)濾后激光在外腔中的損耗比較大。Talbot外腔法利用周期排列的發(fā)光單元經(jīng)過(guò)Talbot距離后將自成像等方法實(shí)現(xiàn)輸出光的相干鎖相，這些方法都是形成空間諧振器，利用光學(xué)透鏡元件，這種結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)復(fù)雜且不穩(wěn)定，即增加了傳輸損耗，又存在著調(diào)節(jié)困難、成本過(guò)高等問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)外腔的相干鎖相。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決背景技術(shù)中采用主動(dòng)相位控制法、空間濾波法以及Talbot外腔法中存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、損耗大、調(diào)節(jié)不便、成本過(guò)高等問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種應(yīng)用光纖耦合的半導(dǎo)體激光器的外腔相干鎖相方法，本方法能夠獲得窄線寬、高峰值功率的半導(dǎo)體相干鎖相激光輸出。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。該方法是按如下步驟實(shí)現(xiàn)的在半導(dǎo)體激光器陣列1發(fā)光單元的前面安裝聚焦準(zhǔn)直透鏡2，在聚焦透鏡準(zhǔn)直透鏡2的另一面、并對(duì)應(yīng)半導(dǎo)體激光器陣列1的每個(gè)發(fā)光單元分別粘貼上光纖，所粘貼的光纖組成光纖陣列3，假設(shè)半導(dǎo)體激光陣列的發(fā)光單元的個(gè)數(shù)為N，即光纖陣列3中的光纖數(shù)為N，然后將光纖陣列3直接熔接到一根多模光纖5中，在多模光纖5的另一端再通過(guò)多模光纖分束器6熔接上N根光纖，在該N根光纖的相同長(zhǎng)度的位置熔接或制備上Bragg光纖光柵或者將該N-1根光纖直接熔接到一個(gè)多模光纖光柵28上，另一根主輸出端熔接上與光纖光柵28同樣直徑大小和纖芯直徑的光纖光柵29。
所述的在N根光纖的相同長(zhǎng)度的位置熔接或制備上Bragg光纖光柵，其中只有一路低反射率光纖光柵25的反射率在4～10％之間，其它各路光纖光柵的反射率在80～99.9％之間。
所述的多模光纖光柵28的反射率在80～99.9％之間，光纖光柵S29的反射率在4～10％之間。
本發(fā)明的外腔相干鎖相方法，利用光纖通過(guò)聚焦準(zhǔn)直透鏡2與半導(dǎo)體激光器1的發(fā)光單元一對(duì)一的相耦合，實(shí)現(xiàn)大功率半導(dǎo)體激光中各發(fā)光單元一維到二維的轉(zhuǎn)變重排，然后再將耦合后的多根光纖組成的光纖束直接合束到一根大直徑光纖中，在這根大直徑光纖的另一端同樣采用多根光纖合束輸出，在輸出端的相同長(zhǎng)度的位置熔接或制備上Bragg光纖光柵，其中一路的光纖光柵的反射率較低，保持在4～10％之間，另外其他多路的光纖光柵的反射率較高，保持在80～99.9％的范圍內(nèi)。通過(guò)光纖光柵的反饋，實(shí)現(xiàn)了二維相干耦合提高光束質(zhì)量的目的。在這一過(guò)程中，增大了外腔鎖相所對(duì)應(yīng)的“發(fā)光單元”填充因子的數(shù)值。同時(shí)相鄰“發(fā)光單元”的數(shù)目由2個(gè)增加到4或6個(gè)，這有利于提高外腔鎖相相干耦合效率。其中只有一根輸出光纖熔接上低反射率的光纖光柵，作為輸出通道。光纖合束器采用保偏光纖，確取保偏陣性一致。這樣組成了一個(gè)全光纖結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器的外腔相干合束鎖相反饋諧振腔，半導(dǎo)體激光器輻射光在光纖中諧振，通過(guò)光纖光柵反射回半導(dǎo)體激光器有源區(qū)，在有源區(qū)相鄰發(fā)光單元之間實(shí)現(xiàn)相干鎖相，通過(guò)低反射率光纖光柵的一路光纖輸出窄線寬、高峰值功率的半導(dǎo)體相干鎖相激光。
采用光纖光柵作為外腔的反射鏡和全光纖合束器，這樣即能有效的對(duì)激光器輸出光進(jìn)行高效率的反饋，又能避免了外界因數(shù)對(duì)激光器外腔的影響，減少了諧振和傳輸中的光損耗；無(wú)需加入光學(xué)元件，其結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了全光纖化結(jié)構(gòu)，成本降低。


圖1是本發(fā)明開(kāi)放式全光纖相干耦合反饋腔示意2是本發(fā)明封閉式全光纖相干耦合反饋腔示意中1、半導(dǎo)體激光器陣列，2、聚焦準(zhǔn)直透鏡，3、光纖陣列，4、多模光纖合束器，5多模光纖，6多模光纖分束器，7、光纖光柵A，8、光纖光柵B，9、光纖光柵C，10、光纖光柵D，11、光纖光柵E，12、光纖光柵F，13、光纖光柵G，14、光纖光柵H，15、光纖光柵I，16、光纖光柵G，17、光纖光柵K，18、光纖光柵L，19、光纖光柵M，20、光纖光柵N，21、光纖光柵O，22、光纖光柵P，23、光纖光柵Q，24、光纖光柵R，25、低反射率光纖光柵，26、半導(dǎo)體激光直線形陣列，27、光纖束，28、多膜光纖光柵，29、光纖光柵S。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。
實(shí)施例1圖1所示為本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例。選取一個(gè)半導(dǎo)體激光器直線型陣列，其中發(fā)光單元選取為19個(gè)，在半導(dǎo)體激光器1的發(fā)光面前大約0.5mm處安裝上一個(gè)聚焦準(zhǔn)直透鏡2，在聚焦準(zhǔn)直透鏡2的另一面緊貼著聚焦準(zhǔn)直透鏡輸出面一對(duì)一地平行對(duì)應(yīng)發(fā)光單元粘結(jié)上19根光纖，形成光纖陣列3，然后再將粘貼耦合后的19根光纖組成的光纖陣列3的另一端捆扎成光纖束，將這個(gè)光纖束直接熔接到一根大直徑多膜光纖5中，在這根大直徑多膜光纖5的另一端同樣采用熔接上1×(18+1)多膜光纖分束器6，其中18根輸出端為副輸出端，1根為主輸出端。在這個(gè)多膜光纖分束器6的(18+1)根輸出端上的18根副輸出端上熔接上光纖光柵A7、光纖光柵B8、光纖光柵C9、光纖光柵D10、光纖光柵E11、光纖光柵F12、光纖光柵G13、光纖光柵H14、光纖光柵I15、光纖光柵G16、光纖光柵K17、光纖光柵L18、光纖光柵M19、光纖光柵N20、光纖光柵O21、光纖光柵P22、光纖光柵Q23、光纖光柵R24，這些光纖光柵為多膜光纖光柵，其反射率都為95％，其實(shí)現(xiàn)將通過(guò)這18根光纖傳輸來(lái)的光以95％的效率給反射回副輸出光纖。另一根主輸出端熔接上同樣直徑大小和纖芯直徑的低反射率光纖光柵25，這個(gè)低反射率光纖光柵25為多模光纖光柵，其中反射效率為8％，這樣實(shí)現(xiàn)通過(guò)這根主輸出光纖的光有8％的量被反射回主輸出光纖中。
實(shí)施例2圖2所示為本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例。選取一個(gè)半導(dǎo)體激光器直線型陣列1，其中發(fā)光單元選取為19個(gè)，在半導(dǎo)體激光器1的發(fā)光面前大約0.5mm處安裝上一個(gè)聚焦準(zhǔn)直透鏡2，在聚焦準(zhǔn)直透鏡2的另一面緊貼著聚焦準(zhǔn)直透鏡輸出面一對(duì)一地平行對(duì)應(yīng)發(fā)光單元粘結(jié)上19根光纖，形成光纖陣列3，然后再將粘貼耦合后的19根光纖組成的光纖陣列3的另一端捆扎成光纖束，將這個(gè)光纖束直接熔接到一根大直徑多膜光纖5中，在這根大直徑多膜光纖5的另一端同樣采用熔接上1×(18+1)多膜光纖分束器6，其中18根輸出端為副輸出端，1根為主輸出端。
將18根副輸出端捆扎成光纖束27，將這個(gè)光纖束直接熔接到一根大直徑多膜光纖光柵28上，這根大直徑多膜光纖光柵28的反射率為95％，其實(shí)現(xiàn)將通過(guò)這18根副輸出光纖傳輸來(lái)的光通過(guò)這根大直徑多膜光纖光柵28以95％的效率給反射回18根副輸出光纖中。另一根主輸出端熔接上同樣直徑大小和纖芯直徑的光纖光柵S29，這個(gè)光纖光柵S29為多模光纖光柵，其中反射效率為8％，這樣實(shí)現(xiàn)通過(guò)這根主輸出光纖的光有8％的量被反射回主輸出光纖中。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用光纖耦合的半導(dǎo)體激光器的外腔相干鎖相方法，其特征在于，該方法是按如下步驟實(shí)現(xiàn)的在半導(dǎo)體激光器陣列(1)發(fā)光單元的前面設(shè)置有聚焦準(zhǔn)直透鏡(2)，在聚焦透鏡準(zhǔn)直透鏡(2)的另一面、并對(duì)應(yīng)半導(dǎo)體激光器陣列(1)的每個(gè)發(fā)光單元的位置分別粘貼上光纖，所粘貼的光纖組成光纖陣列(3)，假設(shè)半導(dǎo)體激光陣列的發(fā)光單元的個(gè)數(shù)為N，即光纖陣列(3)中的光纖數(shù)為N，然后將光纖陣列(3)直接熔接到一根多模光纖(5)中，在多模光纖(5)的另一端通過(guò)多模光纖分束器(6)再熔接上N根光纖，在該N根光纖的相同長(zhǎng)度的位置熔接或制備上Bragg光纖光柵，或者將其中N-1根光纖直接熔接到一個(gè)多模光纖光柵(28)上，另一根主輸出端熔接上與多模光纖光柵(28)同樣直徑大小和纖芯直徑的光纖光柵S(29)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用光纖耦合的半導(dǎo)體激光器的外腔相干鎖相方法，其特征在于所述的在N根光纖的相同長(zhǎng)度的位置熔接或制備上Bragg光纖光柵，其中只有一路低反射率光纖光柵(25)的反射率在4～10％之間，其它各路的光纖光柵的反射率在80～99.9％之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用光纖耦合的半導(dǎo)體激光器的外腔相干鎖相方法，其特征在于所述的多模光纖光柵(28)的反射率在80～99.9％之間，光纖光柵S(29)的反射率在4～10％之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種應(yīng)用光纖耦合的半導(dǎo)體激光器的外腔相干鎖相裝置，其特征在于半導(dǎo)體激光器陣列(1)與聚焦準(zhǔn)直透鏡(2)之間的距離為0.1～10mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種應(yīng)用光纖耦合的半導(dǎo)體激光器的外腔相干鎖相裝置，其特征在于多模光纖分束器(6)為保偏光纖。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種應(yīng)用光纖耦合的半導(dǎo)體激光器的外腔相干鎖相裝置，其特征在于所述的半導(dǎo)體激光器陣列(1)為直線形陣列或疊形陣列。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用光纖耦合的半導(dǎo)體激光器的外腔相干鎖相方法，屬于激光多光束整形、耦合及其相干光模式鎖定技術(shù)領(lǐng)域。在半導(dǎo)體激光器陣列(1)的前面設(shè)置有聚焦準(zhǔn)直透鏡(2)，在聚焦透鏡準(zhǔn)直透鏡(2)的另一面并對(duì)應(yīng)半導(dǎo)體激光器陣列(1)的每個(gè)發(fā)光單元粘貼上光纖，所粘貼的光纖組成光纖陣列(3)，假設(shè)發(fā)光單元的個(gè)數(shù)為N。將光纖陣列(3)直接熔接到一根多模光纖(5)中，在多模光纖(5)的另一端通過(guò)多模光纖分束器(6)再熔接上N根光纖，在該N根光纖的相同長(zhǎng)度的位置熔接上作為外腔反射鏡的光纖光柵。這樣既能有效的對(duì)激光器輸出光進(jìn)行高效率的反饋，又能避免了外界因數(shù)對(duì)激光器外腔的影響，減少了諧振和傳輸中的光損耗。
文檔編號(hào)G02B6/26GK1916677SQ20061011304
公開(kāi)日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2006年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月8日
發(fā)明者張亮, 王智勇, 左鐵釧 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)