專利名稱：一種微型外腔大功率半導體列陣穩(wěn)定選擇基超模技術的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于服務超大功率半導體列陣使用微型外腔鎖相的微型外腔形變測量技術和補償技術，涉及超 大功率半導體列陣在安裝適配選擇基超模振蕩的超短長度外腔，并振蕩于基超模后，對殘余熱效應等引起 外腔長度變化的自動測量和補償方式方法，涉及避免外腔形變導致非基超模起振，使超大功率半導體列陣 能夠穩(wěn)定地選擇基超模振蕩。
背景技術：
半導體列陣量子效率高，輸出波長范圍涵蓋570 nm至1600nm,工作壽命可達數百萬小時，疊層列 陣可提供超高功率激光輸出，在諸如工業(yè)、醫(yī)學等很多領域具有非常廣闊和良好的應用前景，但是由于自 由運行的半導體列陣各個發(fā)光單元發(fā)出的光是不相干的，其輸出質量較差，特別是慢軸多模輸出的發(fā)散角 大、光譜寬，在干擾、色散、方向性等方面特性極差，既無法通過光學系統(tǒng)聚焦到小尺寸，又無法實現(xiàn)遠 距離傳輸，嚴重阻礙了其在機械加工、表面處理、高功率密度泵浦、航空航天等領域中獲得有效應用。因 而，采取空間鎖相措施使得各個單元運行于相同的波長并使得它們之間具有固定的相位差，就變得至關重 要。對于相鄰發(fā)光單元距離達數百微米的大功率半導體列陣，特別適宜采用基于模式耦合理論和Talbot腔 理論的外腔耦合鎖相，相應功率耦合主要發(fā)生在緊鄰單元之間，非相鄰單元耦合可以忽略不計，相應系統(tǒng) 結構簡單而功效良好。通過選擇基超模振蕩，相應輸出遠場分布為單瓣結構、接近衍射極限。對于列陣周 期為"，工作波長為人，前端面反射率為r,， fi耦合系數的模為尸，鄰居光發(fā)單元間的互耦合系數的輻角 為a的半導體列陣，當cos&) > 0 ，外腔長度Z滿足其長度滿足義[2w +1 + arccos(ry // 7r]義[2n +1 — arccos(r, / P) / 7r]時，列陣將選擇基超模振蕩；當COS(《)〈0時，外腔長度在小于A的一些長度值處，列陣將選擇基超模振 蕩。顯然，外腔越短，鎖相列陣占用空間就越少，這對鎖相列陣應用于航天等對有效載荷要求極其苛刻的 領域至關重要，但是，外腔越短，為維持列陣選擇基超模振蕩，外腔長度允許的偏移就越小，當外腔長度 的偏移超過允許的偏移上限時，列陣將允許其它模式振蕩，使得列陣發(fā)光質量被惡化。微型外腔允許的偏 移上限極短，例如在外腔長度為毫米量級時，其允許的外腔偏移上限為微米量級；又如在外腔長度小于入 而使得列陣振蕩于基超模時，若干分之一個波長的外腔長度擾動，就可使列陣運行模式變?yōu)樽罡唠A超模，。 在超大功率半導體列陣匹配超短長度外腔鎖相時，在微型外腔鏡使列陣選擇基超模振蕩后，雖然冷卻子系 統(tǒng)能夠保障列陣持續(xù)工作，但殘余熱效應仍然會使得外腔鏡面膨脹，導致外腔長度的偏移，當發(fā)光功率大 到一定程度時，外腔長度的偏移將超過允許的偏移上限，因此，必須對采用微型外腔選擇基超模的超大功 率二維半導體列陣采取穩(wěn)定外腔長度的措施，以使微型外腔大功率半導體列陣能夠穩(wěn)定地選擇基超模；同 時，偏移程度隨發(fā)光功率的變化而變化，而在實際工程中，發(fā)光功率必須適應工程需求，隨工程需求的改 變而改變，從而相應穩(wěn)定選擇基超模措施必須是自動跟蹤外腔長度變化、并自動適時作出適當調節(jié)，以保 障列陣輸出高質量激光束，為此，本發(fā)明給出了一種微型外腔大功率半導體列陣自動穩(wěn)定選擇基超模技術。發(fā)明內容本發(fā)明的總體結構如圖1所示，外腔鏡感測光源的系統(tǒng)參數和外腔鏡探測器的系統(tǒng)參數與探測外腔形 變所需精度相匹配。固定在外腔鏡的固定設備上一端的外腔鏡感測光源，外腔鏡感測光源可采用He-Ne激 光器等小型但平行度好的光源，發(fā)出的光平行于外腔鏡的鏡面，并緊貼外腔鏡鏡面地到達固定在外腔鏡的 固定設備上另一端的外腔鏡探測器后，外腔鏡探測器的響應與外腔鏡的熱膨脹量成正比，而外腔長度的變 化是由于外腔鏡膨脹引起的，因而，外腔鏡探測器的響應與外腔長度的變化量成正比；外腔鏡探測器可釆 用四象限探測器或二象限探測器，采用四象限探測器的放置方式如圖2所示，其中兩個扇區(qū)平行于外腔鏡面、其它兩個扇區(qū)垂直于外腔鏡面；采用二象限探測器時，其兩個扇區(qū)垂直于外腔鏡面放置，如圖3所示；在通過外腔鏡感測光源與外腔鏡探測器探知外腔增長或縮短的量后，再經積分、放大處理，驅動外腔鏡作相反的位移，以保持外腔長度恒定。在外腔鏡的鏡面沒有發(fā)生形變時，如圖4所示，所有的光束都能夠不 被阻擋地到達外腔鏡探測器，外腔鏡探測器處于平衡狀態(tài)，相應輸出為零；在半導體列陣發(fā)光一段時間后，
如圖5所示，對于外腔鏡而言，由于列陣輸出的激光作用于外腔鏡，并使外腔鏡表面膨脹，使得外腔腔長 縮短，外腔腔長縮短的量等于外腔鏡的膨脹量，此時，由于部分從外腔鏡感測光源發(fā)出的光束被膨脹的外 腔鏡表面所阻擋，將無法到達外腔鏡探測器，因而外腔鏡探測器處于非平衡狀態(tài)，外腔鏡探測器的輸出將 與阻擋光束的外腔膨脹量成正比，因而反映了外腔鏡的膨脹帶來的外腔長度變化；外腔鏡探測器響應通過 積分、放大處理后，并行分為兩路同值電壓，同時驅動四個同樣的，即工作參數一樣的，壓電驅動器，即 圖1中的PZT1、 PZT2、 PZT3、 PZT4,可采用壓電陶瓷作壓電驅動器，其中一路直接驅動向光面PZT1和 PZT2膨脹，如圖6所示，其膨脹量與外腔鏡面膨脹量等同；另一路經反相器反相后，驅動背光面PZT3 和PZT4收縮，如圖7所示，其收縮量與外腔鏡面膨脹量等同；PZT1和PZT2膨脹將外腔鏡向離開列陣前 端面方向推移，而PZT3和PZT4收縮使固定外腔鏡的另一端固定裝置讓開移動外腔鏡所需空間，如圖8 所示，這樣外腔鏡才能夠成功地移位至所需位置，從而，使外腔鏡被向離開列陣前端面的方向推移，使外 腔長度增長，相應推移量與因外腔鏡膨脹而導致的外腔腔長縮短量相等，結果使外腔長度保持恒定。外腔 腔長被壓屯驅動器調節(jié)的量剛好等于外腔腔長由于外腔鏡面膨脹引起的變化量，并隨外腔鏡受熱膨脹程度 不同而不同，如圖9所示，在外腔鏡受熱膨脹由大變小后，可能使得外腔太長而偏移超過允許的偏移上限， 此時，PZT1和PZT2膨脹將減少而相對于其原來膨脹有所收縮，PZT3和PZT4收縮程度也同時減少而相 對于其原來的收縮有所膨脹，結果使外腔長度保持恒定；在外腔鏡受熱膨脹量增長，變得更大后，PZT1 和PZT2膨脹將在原有膨脹的基礎上進一步膨脹，其變化量與外腔鏡變化量相同，PZT3和PZT4收縮程度 也同時在原有收縮的基礎上進一步收縮，其變化量與外腔鏡變化量相同，如圖10所示，結果使外腔長度 保持恒定。從而本發(fā)明使得外腔長度變化能夠被自動跟蹤、并被自動適時適當調節(jié)，使外腔腔長能夠保持 不變，列陣能夠穩(wěn)定不變地選擇基超模振蕩。


圖l為微型外腔大功率半導體列陣穩(wěn)定選擇基超模總體結構示意圖；圖2為探測外腔形變的四象限探測器的放置方式；圖3為探測外腔形變的二象限探測器的放置方式；圖4為外腔鏡探測器處T平衡狀態(tài)示意圖；圖5為外腔鏡探測器處于非平衡狀態(tài)示意圖；圖6為外腔鏡探測器處于非平衡狀態(tài)向光面示意圖；圖7為外腔鏡探測器處于非平衡狀態(tài)背光面示意圖；圖8為向光面PZT1和PZT2膨脹、PZT3和PZT4收縮調節(jié)外腔長度示意圖；圖9為外腔鏡受熱膨脹由火變小時，PZT1、 PZT2、 PZT3、 PZT4調節(jié)示意圖；圖10為外腔鏡受熱膨脹量增長時，PZT1、 PZT2、 PZT3、 PZT4調節(jié)示意圖。下面通過實例具體說明本發(fā)明內容-.具體實施方式
完成實現(xiàn)本發(fā)明微型外腔大功率半導體列陣自動穩(wěn)定選擇基超模技術的相干半導體列陣系統(tǒng)設計和制造后，此系統(tǒng)的響應以得到標定，對此系統(tǒng)的工作參數，以Ie表示外腔鏡感測光源強度,bz表示半束寬，ff表示調節(jié)因子，Cz表示外腔鏡探測器光電轉換效率，則在某時刻，如果外腔鏡膨脹^:，如圖5所示，從而外腔長度縮短處，則外腔鏡探測器的響應為4-(V^f^eq^0/(丌b》，可見，形變響應正比于形變量， 反應了形變量的大小。然后，各形變響應差動電流，經電流一-電壓轉換、放大、濾波、功率放大等處理后，得到驅動PZT所需電壓Kf(^L),如圖6、圖7、圖8所示， 一方面^(《丄)直接驅動向光面PZT1和PZT2膨脹^L，同時，Kf(5丄)經反相器反相后，驅動背光面PZT3和PZT4收縮"，PZT1、 PZT2、 PZT3、 PZT4共同作用，使外腔長度增加兄，使外腔長度保持恒定。顯然當外腔鏡膨脹量變小時，例由處變小為o丄時，如圖9所示，^將同步改變?yōu)椤?(i frIcCz CT丄)/(;rbz)， KfO^)也隨同改變?yōu)镕f(o"i:)， PZT1和PZT2膨脹量將由處變小為o丄，即在原有膨脹量基礎上收縮(處-d)，同時，PZT3和PZT4收縮量將由處變小為。丄， 即在原有收縮量基礎上膨脹(M-。丄)，結果使得外腔長度能夠保持恒定。當外腔鏡膨脹量由M變得更大時，例由&變大為^U時，如圖10所示，/i將同步改變?yōu)?i二(^f;i Cz AL)/(;rbz)， &(5丄)也隨同改
變?yōu)閂f(AL) , PZT1和PZT2膨脹量將由處變?yōu)閐i，即在原有膨脹量基礎上再多膨脹(AI-化)，PZT3和PZT4收縮量將由"變?yōu)椤筞，即在原有收縮量基礎上再多收縮(A丄-處)，其結果使得外腔長度保持恒定。 例如當arcos(rf/P)/;i = 0.3時，當ZnSe外腔鏡配合800W的CW半導體列陣工作，相應選擇基超模振蕩的 外腔長度L=1500150nm，外腔長度允許的偏移上限為853.3 nm，當列陣全功率工作一段時間后，外腔鏡 膨脹1870nm,相應地外腔長度縮短1870nm,顯然，外腔長度的偏移超過了允許的偏移上限，因此，PZT1 和PZT2被驅動膨脹1016.7nm, PZT3和PZT4收縮1016.7nm，外腔鏡被推離列陣前端面1016.7nm，最終 外腔長度保持在L=1500150nm,列陣穩(wěn)定地選擇選擇基超模振蕩。當列陣功率減小后，外腔鏡膨脹量變 為1070nm， PZT1和PZT2被驅動收縮1000nm，其最終膨脹量變?yōu)?6.7nm， PZT3和PZT4被驅動膨脹 1000nm，其最終收縮量變?yōu)?6.7nm;另外，本例中PZT1、 PZT2、 PZT3、 PZT4應具有具有納米級的分辨 率，必須正確匹配選擇系統(tǒng)校準源功率與束寬，外腔鏡探測器尺寸，暗電流，響應時間等系統(tǒng)參數。 本發(fā)明有益效果使相干半導體列陣系統(tǒng)能夠主動感測外腔鏡形變，得知外腔長度的變化，通過處理和補償，克服外腔鏡形變給半導體列陣鎖相帶來的影響，使列陣能夠穩(wěn)定地振蕩于基超模，輸出保障質量的激 光束。
權利要求
1、微型外腔大功率半導體列陣穩(wěn)定選擇基超模技術，其特征在于固定在外腔鏡的固定設備上一端的外腔鏡感測光源，發(fā)出的光平行于外腔鏡的鏡面，并緊貼外腔鏡鏡面地到達固定在外腔鏡的固定設備上另一端的外腔鏡探測器后，外腔鏡探測器可采用四象限探測器或二象限探測器，采用四象限探測器的放置特點為其中兩個扇區(qū)平行于外腔鏡面、其它兩個扇區(qū)垂直于外腔鏡面；采用二象限探測器時，其兩個扇區(qū)垂直于外腔鏡面放置。外腔鏡感測光源的系統(tǒng)參數和外腔鏡探測器的系統(tǒng)參數與探測外腔形變所需精度相匹配，在通過外腔鏡感測光源與外腔鏡探測器探知外腔增長或縮短的量后，再經積分、放大處理，驅動外腔鏡作相反的位移，以保持外腔長度恒定。
2、 根據權利要求1所述的微型外腔大功率半導體列陣穩(wěn)定選擇基超模技術，探知外腔增長或縮短的 量的方式方法，其特征在于在外腔鏡的鏡面沒有發(fā)生形變時，所有的光束都能夠不被阻擋地到達外 腔鏡探測器，外腔鏡探測器處于平衡狀態(tài)，相應輸出為零；在半導體列陣發(fā)光一段時間后，對于外腔 鏡而言，由于列陣輸出的激光作用于外腔鏡，并使外腔鏡表面膨脹，使得外腔腔長縮短，外腔腔長縮 短的量等于外腔鏡的膨脹量，此時，由于部分從外腔鏡感測光源發(fā)出的光束被膨脹的外腔鏡表面所阻 擋，將無法到達外腔鏡探測器，因而外腔鏡探測器處于非平衡狀態(tài)，外腔鏡探測器的輸出將與阻擋光 束的外腔膨脹量成正比，因而反映了外腔鏡的膨脹帶來的外腔長度變化；
3、 根據權利要求1所述的微型外腔大功率半導體列陣穩(wěn)定選擇基超模技術，使得外腔長度仍然能保 持恒定的方式方法，其特征在于外腔鏡探測器響應通過積分、放大處理后，并行分為兩路同值電壓， 同時驅動PZT1、 PZT2、 PZT3、 PZT4，其中一路直接驅動向光面PZT1和PZT2膨脹，其膨脹量與外 腔鏡面膨脹量等同；另一路經反相器反相后，驅動背光面PZT3和PZT4收縮，其收縮量與外腔鏡面 膨脹量等同；PZT1和PZT2膨脹將外腔鏡向離開列陣前端面方向推移，而PZT3和PZT4收縮使固定 外腔鏡的另一端固定裝置讓開移動外腔鏡所需空間，這樣外腔鏡才能夠成功地移位至所需位置，使外 腔鏡被向離開列陣前端面的方向推移，使外腔長度增長，相應推移量與因外腔鏡膨脹而導致的外腔腔 長縮短量相等，并隨外腔鏡受熱膨脹程度不同而不同，隨外腔長度的變化而作相反的變化，結果使得 外腔長度仍然能保持恒定。列陣能夠穩(wěn)定不變地選擇基超模振蕩。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種服務超大功率半導體列陣使用微型外腔鎖相的微型外腔形變測量技術和補償技術，給出了超大功率半導體列陣在安裝適配選擇基超模振蕩的超短長度外腔，并振蕩于基超模后，對殘余熱效應等引起外腔長度變化的自動測量和補償方式方法，避免外腔形變導致非基超模起振，使超大功率半導體列陣能夠穩(wěn)定地選擇基超模振蕩。固定在外腔鏡的固定設備上一端的外腔鏡感測光源發(fā)出的激光平行于外腔鏡的鏡面，并緊貼外腔鏡的鏡面地到達固定在外腔鏡的固定設備上另一端的外腔鏡探測器后，在外腔鏡的鏡面沒有發(fā)生形變時，所有的光束都能夠不被阻擋地到達外腔鏡探測器，相應輸出為零；在半導體列陣發(fā)光一段時間后，由于列陣輸出的激光作用于外腔鏡，使外腔鏡表面膨脹，使得外腔腔長縮短，外腔腔長縮短的量等于外腔鏡的膨脹量，此時，由于部分從外腔鏡感測光源發(fā)出的光束被膨脹的外腔鏡表面所阻擋，將無法到達外腔鏡探測器，因而外腔鏡探測器處于非平衡狀態(tài)，外腔鏡探測器的輸出將與阻擋光束的外腔膨脹量成正比，與外腔長度的變化成正比，外腔鏡探測器響應通過積分、放大處理后，并行分為兩路同值電壓，同時驅動PZT1、PZT2、PZT3、PZT4，使外腔鏡被向離開列陣前端面的方向推移，使外腔長度增長，相應推移量與因外腔鏡膨脹而導致的外腔腔長縮短量相等，結果使得外腔長度能夠始終保持恒定，列陣能夠穩(wěn)定不變地選擇基超模振蕩。
文檔編號G01B11/00GK101118154SQ20071004983
公開日2008年2月6日 申請日期2007年8月23日 優(yōu)先權日2007年8月23日
發(fā)明者嵐 曾, 健 榮, 然 蔡, 蔡貴順, 蔡 薛, 鐘曉春 申請人:然 蔡