CN103199434A

CN103199434A - 一种实现半导体激光相干偏振合成的方法

Info

Publication number: CN103199434A
Application number: CN2013100665848A
Authority: CN
Inventors: 朱洪波; 郝明明; 秦莉; ***
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2013-03-04
Filing date: 2013-03-04
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2033-03-04
Also published as: CN103199434B

Abstract

本发明涉及实现半导体激光相干偏振合成的方法，包括以下步骤：主激光器发出的种子光经过分光棱镜后被分成多路，分别注入多个从激光器以实现从激光器的相位锁定；每个从激光器发射出的激光，都与另外一个从激光器发射出的或者经过偏振合成的，经过半波片作用的激光，在偏振合束棱镜中进行偏振合成。本发明的实现半导体激光相干偏振合成的方法，用来参与偏振合束的激光器的数量可根据需要的激光总功率和单个激光器的功率确定；普通的偏振合成只能将两路激光器合成，本发明通过对激光器的相位进行调制，可以将合束的数量扩展到无限多，十分灵活。

Description

一种实现半导体激光相干偏振合成的方法

技术领域

本发明涉及半导体激光合束光源领域，特别涉及一种实现半导体激光相干偏振合成的方法。

背景技术

由于半导体激光器具有体积小、重量轻、可靠性高、电光转换效率高等优点，使其不仅成为激光加工、激光医疗、激光显示、激光监控、激光测距、激光制导、激光引信等领域的核心光源和支撑技术，也在激光雷达、***体检测、激光测距等领域获得越来越引人注目的应用前景。半导体激光器的应用极大地降低了这些应用中整机***的复杂性，并大幅度提高其可靠性。但在激光雷达、主动探测识别等应用中需要测量目标的精细参数（振动、转动、进动、章动等），要求光源必须是相干光。而普通的大功率半导体激光器通常运行于饱和模式，呈多模输出，相干性较差。能实现单纵模运转的半导体激光器具有较好的相干性，相干长度较长（相干长度是相干光源的重要指标，主要由激光频率线宽决定），可达几十公里，但是输出功率在百毫瓦量级，难以满足上述应用中对大功率输出的要求。

半导体激光相干合成技术是获得大功率相干光源的有效途径，通常是指一组激光单元通过一定的手段使彼此频率相同、偏振一致、相位形成固定的关联，从而使整体光场呈现出相干叠加的现象。据目前已报道的半导体激光相干合成的方案来看，主要有以下几种形式：（1）采用倏逝波，泄漏波等单元间自组织实现相干合成。主要是依靠单元间的漏模（泄露波、渐逝波等）在波导中形成自适应的稳定锁相，从而实现单元间光束的相干合成。这种方法强烈地依赖于波导和激光谐振腔耦合***的频率窄化作用和相位的选择锁定作用，对激光器的结构要求比较严格。（2）采用外腔锁相技术实现相干合束。外腔锁相主要是在半导体激光器阵列外形成新的谐振腔，通过衍射效应及外腔镜的反射作用使各个发光单元之间相互充分耦合，锁定每个激光发光单元的相位，从而使半导体激光相干输出。（3）采用主从注入技术，实现相干合成。主从注入技术是将一个低功率、窄线宽的半导体激光器(主激光器)作为种子源注入到普通的半导体激光器阵列(从激光器)中，在一定条件下，从激光器自由运转模式被抑制并在注入光频率处建立起稳定的振荡，从而使阵列中各单元与主激光器同频率运转，达到锁相相干的目的。在（2）（3）中由于每个发光点的频谱不一致，使获得的相干激光的频谱无法压缩到单纵模，线宽较宽。由于上述方案存在激光器结构特殊、制备工艺复杂、合束单元频谱有差异等缺点，导致相干合成光源在频谱线宽和输出功率两方面难以同时满足要求，这也成为了半导体激光器在激光雷达、主动探测识别、***体检测等领域应用的主要技术瓶颈。

发明内容

为了解决现有半导体激光相干合成光源在频谱线宽和输出功率两方面难以同时满足应用要求的现状，本发明提供一种可以实现高功率、窄线宽的半导体激光相干偏振合成的方法。

本发明的技术方案具体如下：

实现半导体激光相干偏振合成的方法，包括以下步骤：

步骤i：主激光器发出的种子光经过分光棱镜后被分成多路，分别注入多个从激光器以实现从激光器的相位锁定；每个从激光器发射出的激光，都与另外一个从激光器发射出的或者经过偏振合成的，经过半波片作用的激光，在偏振合束棱镜中进行偏振合成；

步骤ii：光电探测器对偏振合成后的合成光束进行实时监测，然后将信号传递给相位控制模块；所述相位控制模块解调出两束光的相位误差，并将控制信号反馈给相位调制器从而对每个从激光器发出的光束进行相位调制，将参与偏振合成的两路光束的相位差控制在π的整数倍并保持为线偏振光，从而继续与下一路光束进行偏振合束，实现相干偏振合成。

在上述技术方案中，所有主、从激光器均固定在同一平面上。

在上述技术方案中，主、从激光器前还分别安装有用来减小激光器发散角、进行准直的准直镜。

在上述技术方案中，所述主激光器发出的种子光经过分光棱镜被分成多路后，通过全反射镜和反射平板的作用注入多个从激光器；所述全反射镜为反射率接近100%的反射平板或者反射棱镜。

在上述技术方案中，所述主激光器发出的种子光经过分光棱镜被分成多路后，通过全反射镜和反射平板的作用注入多个从激光器；所述反射平板为具有一定反射率的平行平板，反射率值从1%到50%。

在上述技术方案中，所述从激光器的前腔面镀有反射率在99%以上的增透膜，以保证种子光具有高的注入率。

在上述技术方案中，所使用的相位控制模块包括相位控制电路、锁相放大器、信号发生器。

在上述技术方案中，所述相位调制器为铌酸锂(LiNbO₃)相位调制器。

在上述技术方案中，所述多个从激光器的数量为4个。

本发明的实现半导体激光相干偏振合成的方法具有以下的优点：

本发明的实现半导体激光相干偏振合成的方法，将相干合成和偏振合成技术结合起来，通过主从注入锁相的方式使多只单横模半导体激光器满足相干条件，通过主动相位调制对各路光束的相位进行控制，通过偏振合束的方法实现多路光束的相干合成，可以获得高功率、窄线宽的相干光源。此技术对激光器自身没有特殊结构要求，理论上可以实现无数个单元的相干合成，是一种非常有前景的相干合成技术。

本发明的实现半导体激光相干偏振合成的方法，激光器的数量可根据需要的激光总功率和单个激光器的功率确定；普通的偏振合成只能将两路激光器合成，本发明通过对激光器的相位进行调制，可以将合束激光器的数量扩展到无限多，十分灵活。

附图说明

图1是应用本发明的实现半导体激光相干偏振合成的方法的半导体激光光源的结构示意图。

具体实施方式

本发明的发明思想为：应用本发明的实现半导体激光相干偏振合成的方法的半导体激光光源，其包括一个单频半导体激光器作为主激光器，多个同一波长且结构相同的单横模半导体激光器作为从激光器；所有激光器均固定在同一平面，并按图摆向排布。从激光器前腔面镀有增透膜，透过率在99%以上。所有主从激光器发出的光通过准直镜后，具有很小的发散角。主激光器发出的种子光经过分光率为50%的分光棱镜多次分光后被分成多路同等功率的种子光束，并通过全反射镜和反射平板（反射率为10%）被分别注入多只从激光器从而实现从激光器的相位锁定。主从激光器中间加入光隔离器保证种子光的单向传输。从激光器被相位锁定以后，发射与主激光器具有相同频率、相同振动方向的激光束。光束经过反射平板后90%的光束透射出去。通过偏振合束棱镜对两路光束进行偏振合成，使用光电探测器对合成光束进行实时监测，将信号传递给相位控制电路，相位控制电路解调出两束光的相位误差，并将控制信号反馈给铌酸锂(LiNbO₃)相位调制器从而对每个从激光器发出的光束进行相位调制，将参与偏振合成的两路光束的相位差控制在π的整数倍并保持为线偏振光，从而继续与下一路光束进行偏振合束，得到基于相干偏振合成技术的半导体激光光源，实现半导体激光相干偏振合成的方法。

以下结合附图给出的实施例对本发明作进一步详细说明。

图1显示了本发明的实现半导体激光相干偏振合成的方法的一种具体实施方式。参照图1，应用本发明的实现半导体激光相干偏振合成的方法的半导体激光光源，包括主激光器1、4个从激光器2、准直镜3、光隔离器4、分光率为50%的分光棱镜5、全反射镜6、反射平板7、相位控制模块8、相位调制器9、光电探测器10、偏振合束棱镜11、半波片12。其中所有激光器均固定在同一平面内。应用本发明的实现半导体激光相干偏振合成的方法的半导体激光光源中所使用的相位控制模块8包括相位控制电路、锁相放大器、信号发生器，相位调制器使用可用于自由光路中的铌酸锂相位调制器。

应用本发明的实现半导体激光相干偏振合成的方法的半导体激光光源中，通过六轴精密调整架和紫外胶，将准直镜3安装到每一个激光器的腔面前，使激光束得到准直，准直镜也可以由机械镜座支撑，用紫外胶将准直镜和机械镜座进行胶合固定。在准直镜的装调过程中，需要检查所有激光器的远场光斑位置是否在水平方向上呈同一高度。

应用本发明的实现半导体激光相干偏振合成的方法的半导体激光光源中，分光棱镜5是将三角棱镜的斜面进行镀分光膜，然后将两个三角棱镜的斜面胶合而成。全反射镜6在表面镀制高反射膜，反射平板在一面镀有反射率在10%的分光膜，另一表面镀有增透膜，所有光学元件的基底材料均为融石英。通过六轴调整架和适当的夹具夹住光学元件进行调整，使其对光束起到分光和反射作用，达到设计要求，调整好后用紫外胶或者机械方法进行固定。

应用本发明的实现半导体激光相干偏振合成的方法进行偏振合束时，所有激光器发出的光经过准直镜3进行准直，主激光器1发出的种子光经过分光棱镜5后被分成四路，通过全反射镜6和反射平板7的作用分别注入四只从激光器从而实现从激光器的相位锁定；相位锁定后的从激光器发射与主激光器相同频率的光束，通过反射平板后透射，透射后的光束依次进行通过偏振合束棱镜11进行偏振合成，半波片12用于调整光束的偏振方向，使用光电探测器10对合成光束进行实时监测，将信号传递给相位控制模块8，相位控制模块解调出两束光的相位误差，并由相位调制器9对各路光束进行相位调制，将参与偏振合成的两路光束的相位差控制在π的整数倍并保持为线偏振光，从而继续与下一路光束进行偏振合束，实现相干偏振合成。

具体的说：

首先，最上方的第一个从激光器2发出的激光，经过第一个相位调制器9后再经过第一个半波片12的作用，经过反射镜反射后，入射到第一个偏振合束棱镜11中，与由第二个从激光器2发出的激光进行偏振合束。

然后，经过偏振合束的激光经过第二个半波片12的作用后，入射到第二个偏振合束棱镜11中，与由第三个从激光器2发出的激光进行偏振合束。

最后，经过偏振合束的激光经过第三个半波片12的作用后，入射到第三个偏振合束棱镜11中，与由第四个从激光器2发出的激光进行偏振合束。

每个从激光器2发出的激光，在进行偏振合束之前都经过相位调制器9进行相位调制。

在另外的具体实施方式中，用来进行偏振合束的从激光器的数量还可以为两个或者是5个、6个或者更多，合束原理以及合束过程都与上述具体实施方式中相同，这里不再赘述。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.实现半导体激光相干偏振合成的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤i：主激光器（1）发出的种子光经过分光棱镜（5）后被分成多路，分别注入多个从激光器（2）以实现从激光器（2）的相位锁定；每个从激光器（2）发射出的激光，都与另外一个从激光器（2）发射出的或者经过偏振合成的，经过半波片（12）作用的激光，在偏振合束棱镜（11）中进行偏振合成；

步骤ii：光电探测器（10）对偏振合成后的合成光束进行实时监测，然后将信号传递给相位控制模块（8）；所述相位控制模块（8）解调出两束光的相位误差，并将控制信号反馈给相位调制器（9）从而对每个从激光器（2）发出的光束进行相位调制，将参与偏振合成的两路光束的相位差控制在π的整数倍并保持为线偏振光，从而继续与下一路光束进行偏振合束，实现相干偏振合成。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所有主、从激光器均固定在同一平面上。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，主、从激光器前还分别安装有用来减小激光器发散角、进行准直的准直镜（3）。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主激光器（1）发出的种子光经过分光棱镜（5）被分成多路后，通过全反射镜（6）和反射平板（7）的作用注入多个从激光器（2）；所述全反射镜（6）为反射率接近100%的反射平板或者反射棱镜。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主激光器（1）发出的种子光经过分光棱镜（5）被分成多路后，通过全反射镜（6）和反射平板（7）的作用注入多个从激光器（2）；所述反射平板（7）为具有一定反射率的平行平板，反射率值从1%到50%。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述从激光器（2）的前腔面镀有反射率在99%以上的增透膜，以保证种子光具有高的注入率。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所使用的相位控制模块（8）包括相位控制电路、锁相放大器、信号发生器。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相位调制器（9）为铌酸锂(LiNbO₃)相位调制器。

9.根据权利要求1-8任意一项中所述的方法，其特征在于，所述多个从激光器（2）的数量为4个。