一种微型外腔大功率半导体列阵稳定选择基超模技术

摘要

本发明提供了一种服务超大功率半导体列阵使用微型外腔锁相的微型外腔形变测量技术和补偿技术，给出了超大功率半导体列阵在安装适配选择基超模振荡的超短长度外腔，并振荡于基超模后，对残余热效应等引起外腔长度变化的自动测量和补偿方式方法，避免外腔形变导致非基超模起振，使超大功率半导体列阵能够稳定地选择基超模振荡。固定在外腔镜的固定设备上一端的外腔镜感测光源发出的激光平行于外腔镜的镜面，并紧贴外腔镜的镜面地到达固定在外腔镜的固定设备上另一端的外腔镜探测器后，在外腔镜的镜面没有发生形变时，所有的光束都能够不被阻挡地到达外腔镜探测器，相应输出为零；在半导体列阵发光一段时间后，由于列阵输出的激光作用于外腔镜，使外腔镜表面膨胀，使得外腔腔长缩短，外腔腔长缩短的量等于外腔镜的膨胀量，此时，由于部分从外腔镜感测光源发出的光束被膨胀的外腔镜表面所阻挡，将无法到达外腔镜探测器，因而外腔镜探测器处于非平衡状态，外腔镜探测器的输出将与阻挡光束的外腔膨胀量成正比，与外腔长度的变化成正比，外腔镜探测器响应通过积分、放大处理后，并行分为两路同值电压，同时驱动PZT1、PZT2、PZT3、PZT4，使外腔镜被向离开列阵前端面的方向推移，使外腔长度增长，相应推移量与因外腔镜膨胀而导致的外腔腔长缩短量相等，结果使得外腔长度能够始终保持恒定，列阵能够稳定不变地选择基超模振荡。

说明书

技术领域

本发明属于服务超大功率半导体列阵使用微型外腔锁相的微型外腔形变测量技术和补偿技术，涉及超大功率半导体列阵在安装适配选择基超模振荡的超短长度外腔，并振荡于基超模后，对残余热效应等引起外腔长度变化的自动测量和补偿方式方法，涉及避免外腔形变导致非基超模起振，使超大功率半导体列阵能够稳定地选择基超模振荡。

背景技术

半导体列阵量子效率高，输出波长范围涵盖570nm至1600nm，工作寿命可达数百万小时，叠层列阵可提供超高功率激光输出，在诸如工业、医学等很多领域具有非常广阔和良好的应用前景，但是由于自由运行的半导体列阵各个发光单元发出的光是不相干的，其输出质量较差，特别是慢轴多模输出的发散角大、光谱宽，在干扰、色散、方向性等方面特性极差，既无法通过光学系统聚焦到小尺寸，又无法实现远距离传输，严重阻碍了其在机械加工、表面处理、高功率密度泵浦、航空航天等领域中获得有效应用。因而，采取空间锁相措施使得各个单元运行于相同的波长并使得它们之间具有固定的相位差，就变得至关重要。对于相邻发光单元距离达数百微米的大功率半导体列阵，特别适宜采用基于模式耦合理论和Talbot腔理论的外腔耦合锁相，相应功率耦合主要发生在紧邻单元之间，非相邻单元耦合可以忽略不计，相应系统结构简单而功效良好。通过选择基超模振荡，相应输出远场分布为单瓣结构、接近衍射极限。对于列阵周期为d，工作波长为λ，前端面反射率为r_f，自耦合系数的模为P，邻居光发单元间的互耦合系数的辐角为q的半导体列阵，当cos(q)＞0，外腔长度L满足其长度满足

$\frac{2d^2}{\mathrm{\λ}[2n+1+\arccos (r_f/P)/\mathrm{\π}]}\≤L\≤\frac{2d^2}{\mathrm{\λ}[2n+1-\arccos (r_f/P)/\mathrm{\π}]},(n=\mathrm{0,1,2},...)$

时，列阵将选择基超模振荡；当cos(q)＜0时，外腔长度在小于λ的一些长度值处，列阵将选择基超模振荡。显然，外腔越短，锁相列阵占用空间就越少，这对锁相列阵应用于航天等对有效载荷要求极其苛刻的领域至关重要，但是，外腔越短，为维持列阵选择基超模振荡，外腔长度允许的偏移就越小，当外腔长度的偏移超过允许的偏移上限时，列阵将允许其它模式振荡，使得列阵发光质量被恶化。微型外腔允许的偏移上限极短，例如在外腔长度为毫米量级时，其允许的外腔偏移上限为微米量级；又如在外腔长度小于λ而使得列阵振荡于基超模时，若干分之一个波长的外腔长度扰动，就可使列阵运行模式变为最高阶超模，。在超大功率半导体列阵匹配超短长度外腔锁相时，在微型外腔镜使列阵选择基超模振荡后，虽然冷却子系统能够保障列阵持续工作，但残余热效应仍然会使得外腔镜面膨胀，导致外腔长度的偏移，当发光功率大到一定程度时，外腔长度的偏移将超过允许的偏移上限，因此，必须对采用微型外腔选择基超模的超大功率二维半导体列阵采取稳定外腔长度的措施，以使微型外腔大功率半导体列阵能够稳定地选择基超模；同时，偏移程度随发光功率的变化而变化，而在实际工程中，发光功率必须适应工程需求，随工程需求的改变而改变，从而相应稳定选择基超模措施必须是自动跟踪外腔长度变化、并自动适时作出适当调节，以保障列阵输出高质量激光束，为此，本发明给出了一种微型外腔大功率半导体列阵自动稳定选择基超模技术。

发明内容

本发明的总体结构如图1所示，外腔镜感测光源的系统参数和外腔镜探测器的系统参数与探测外腔形变所需精度相匹配。固定在外腔镜的固定设备上一端的外腔镜感测光源，外腔镜感测光源可采用He-Ne激光器等小型但平行度好的光源，发出的光平行于外腔镜的镜面，并紧贴外腔镜镜面地到达固定在外腔镜的固定设备上另一端的外腔镜探测器后，外腔镜探测器的响应与外腔镜的热膨胀量成正比，而外腔长度的变化是由于外腔镜膨胀引起的，因而，外腔镜探测器的响应与外腔长度的变化量成正比；外腔镜探测器可采用四象限探测器或二象限探测器，采用四象限探测器的放置方式如图2所示，其中两个扇区平行于外腔镜面、其它两个扇区垂直于外腔镜面；采用二象限探测器时，其两个扇区垂直于外腔镜面放置，如图3所示；在通过外腔镜感测光源与外腔镜探测器探知外腔增长或缩短的量后，再经积分、放大处理，驱动外腔镜作相反的位移，以保持外腔长度恒定。在外腔镜的镜面没有发生形变时，如图4所示，所有的光束都能够不被阻挡地到达外腔镜探测器，外腔镜探测器处于平衡状态，相应输出为零；在半导体列阵发光一段时间后，如图5所示，对于外腔镜而言，由于列阵输出的激光作用于外腔镜，并使外腔镜表面膨胀，使得外腔腔长缩短，外腔腔长缩短的量等于外腔镜的膨胀量，此时，由于部分从外腔镜感测光源发出的光束被膨胀的外腔镜表面所阻挡，将无法到达外腔镜探测器，因而外腔镜探测器处于非平衡状态，外腔镜探测器的输出将与阻挡光束的外腔膨胀量成正比，因而反映了外腔镜的膨胀带来的外腔长度变化；外腔镜探测器响应通过积分、放大处理后，并行分为两路同值电压，同时驱动四个同样的，即工作参数一样的，压电驱动器，即图1中的PZT1、PZT2、PZT3、PZT4，可采用压电陶瓷作压电驱动器，其中一路直接驱动向光面PZT1和PZT2膨胀，如图6所示，其膨胀量与外腔镜面膨胀量等同；另一路经反相器反相后，驱动背光面PZT3和PZT4收缩，如图7所示，其收缩量与外腔镜面膨胀量等同；PZT1和PZT2膨胀将外腔镜向离开列阵前端面方向推移，而PZT3和PZT4收缩使固定外腔镜的另一端固定装置让开移动外腔镜所需空间，如图8所示，这样外腔镜才能够成功地移位至所需位置，从而，使外腔镜被向离开列阵前端面的方向推移，使外腔长度增长，相应推移量与因外腔镜膨胀而导致的外腔腔长缩短量相等，结果使外腔长度保持恒定。外腔腔长被压电驱动器调节的量刚好等于外腔腔长由于外腔镜面膨胀引起的变化量，并随外腔镜受热膨胀程度不同而不同，如图9所示，在外腔镜受热膨胀由大变小后，可能使得外腔太长而偏移超过允许的偏移上限，此时，PZT1和PZT2膨胀将减少而相对于其原来膨胀有所收缩，PZT3和PZT4收缩程度也同时减少而相对于其原来的收缩有所膨胀，结果使外腔长度保持恒定；在外腔镜受热膨胀量增长，变得更大后，PZT1和PZT2膨胀将在原有膨胀的基础上进一步膨胀，其变化量与外腔镜变化量相同，PZT3和PZT4收缩程度也同时在原有收缩的基础上进一步收缩，其变化量与外腔镜变化量相同，如图10所示，结果使外腔长度保持恒定。从而本发明使得外腔长度变化能够被自动跟踪、并被自动适时适当调节，使外腔腔长能够保持不变，列阵能够稳定不变地选择基超模振荡。

附图说明

图1为微型外腔大功率半导体列阵稳定选择基超模总体结构示意图；

图2为探测外腔形变的四象限探测器的放置方式；

图3为探测外腔形变的二象限探测器的放置方式；

图4为外腔镜探测器处于平衡状态示意图；

图5为外腔镜探测器处于非平衡状态示意图；

图6为外腔镜探测器处于非平衡状态向光面示意图；

图7为外腔镜探测器处于非平衡状态背光面示意图；

图8为向光面PZT1和PZT2膨胀、PZT3和PZT4收缩调节外腔长度示意图；

图9为外腔镜受热膨胀由大变小时，PZT1、PZT2、PZT3、PZT4调节示意图；

图10为外腔镜受热膨胀量增长时，PZT1、PZT2、PZT3、PZT4调节示意图。

下面通过实例具体说明本发明内容：

具体实施方式

完成实现本发明微型外腔大功率半导体列阵自动稳定选择基超模技术的相干半导体列阵系统设计和制造后，此系统的响应以得到标定，对此系统的工作参数，以I_c表示外腔镜感测光源强度，b_z表示半束宽，f_r表示调节因子，C_z表示外腔镜探测器光电转换效率，则在某时刻，如果外腔镜膨胀δL，如图5所示，从而外腔长度缩短δL，则外腔镜探测器的响应为$I_L=\left(\sqrt{8}{f}_r{I}_c{C}_z\mathrm{\δL}\right)/\left(\mathrm{\π}{b}_z\right),$可见，形变响应正比于形变量，反应了形变量的大小。然后，各形变响应差动电流，经电流—电压转换、放大、滤波、功率放大等处理后，得到驱动PZT所需电压V_f(δL)，如图6、图7、图8所示，一方面V_f(δL)直接驱动向光面PZT1和PZT2膨胀δL，同时，V_f(δL)经反相器反相后，驱动背光面PZT3和PZT4收缩δL，PZT1、PZT2、PZT3、PZT4共同作用，使外腔长度增加δL，使外腔长度保持恒定。显然当外腔镜膨胀量变小时，例由δL变小为σL时，如图9所示，I_L将同步改变为$I_L=\left(\sqrt{8}{f}_r{I}_c{C}_z\mathrm{\σL}\right)/\left(\mathrm{\π}{b}_z\right),$V_f(δL)也随同改变为V_f(σL)，PZT1和PZT2膨胀量将由δL变小为σL，即在原有膨胀量基础上收缩(δL-σL)，同时，PZT3和PZT4收缩量将由δL变小为σL，即在原有收缩量基础上膨胀(δL-σL)，结果使得外腔长度能够保持恒定。当外腔镜膨胀量由δL变得更大时，例由δL变大为ΔL时，如图10所示，I_L将同步改变为$I_L=\left(\sqrt{8}{f}_r{I}_c{C}_z\mathrm{\ΔL}\right)/\left(\mathrm{\π}{b}_z\right),$V_f(δL)也随同改变为V_f(ΔL)，PZT1和PZT2膨胀量将由δL变为ΔL，即在原有膨胀量基础上再多膨胀(ΔL-δL)，PZT3和PZT4收缩量将由δL变为ΔL，即在原有收缩量基础上再多收缩(ΔL-δL)，其结果使得外腔长度保持恒定。例如当arcos(r_f/P)/π＝0.3时，当ZnSe外腔镜配合800W的CW半导体列阵工作，相应选择基超模振荡的外腔长度L＝1500150nm，外腔长度允许的偏移上限为853.3nm，当列阵全功率工作一段时间后，外腔镜膨胀1870nm，相应地外腔长度缩短1870nm，显然，外腔长度的偏移超过了允许的偏移上限，因此，PZT1和PZT2被驱动膨胀1016.7nm，PZT3和PZT4收缩1016.7nm，外腔镜被推离列阵前端面1016.7nm，最终外腔长度保持在L＝1500150nm，列阵稳定地选择选择基超模振荡。当列阵功率减小后，外腔镜膨胀量变为1070nm，PZT1和PZT2被驱动收缩1000nm，其最终膨胀量变为16.7nm，PZT3和PZT4被驱动膨胀1000nm，其最终收缩量变为16.7nm；另外，本例中PZT1、PZT2、PZT3、PZT4应具有具有纳米级的分辨率，必须正确匹配选择系统校准源功率与束宽，外腔镜探测器尺寸，暗电流，响应时间等系统参数。本发明有益效果：使相干半导体列阵系统能够主动感测外腔镜形变，得知外腔长度的变化，通过处理和补偿，克服外腔镜形变给半导体列阵锁相带来的影响，使列阵能够稳定地振荡于基超模，输出保障质量的激光束。