一种超大功率半导体列阵外腔形变补偿量全量获取技术

摘要

本发明提供了一种超大功率半导体列阵中，克服外腔形变影响锁相质量，为避免降低锁相质量而补偿形变所需补偿量获取技术。与CCD1相关的一路测量外腔形变的子系统利用反射镜R2.1、反射镜3、变焦光学器件1、透镜1，聚焦经外腔反射的一半He－Ne激光束成像于CCD1上，由处理器1计算光斑质心、以及计算标定后的变化量，从而获取外腔镜一个方向的形变信息，并在其达到门限时，通过全量补偿量获取法获知补偿量，然后再配合相应D/A、相应高压驱动模块，驱动安装在外腔镜末端位置的相应压电补偿器PZT膨胀，补偿，从而适时补偿β在一个方向的漂移；与CCD2相关的一路测量外腔形变的子系统利用反射镜R2.2、反射镜3、变焦光学器件2、透镜2，聚焦经外腔反射的另一半He－Ne激光束成像于CCD2上，由处理器2计算光斑质心、以及计算标定后的变化量，从而获取外腔镜一个方向的形变信息，并在其达到门限时，通过全量补偿量获取法获知补偿量，然后再配合相应D/A、相应高压驱动模块，驱动安装在R2.2上末端位置的相应压电补偿器PZT膨胀，补偿，从而适时补偿β在另一个方向的漂移。从而，适时补偿由残余热效应等引起的外腔镜随机形变，使得采用倾斜匹配角度的外腔镜锁相的超大功率二维半导体列阵稳定地震荡于同相模，保障列阵稳定输出的高质量。

说明书

技术领域

本发明属于超大功率半导体列阵锁相运行的稳定技术，涉及超大功率半导体列阵通过偏转适配角度的外腔镜选择基超模震荡后，对残余热效应等引起外腔形变导致适配角度的偏离，涉及防止与外腔形变相关的非基超模起振，涉及外腔形变测量和补偿量获取，涉及保障列阵稳定地震荡于基超模运行。

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、空间高速光通信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。

实现各个单元相干运行方法包括内部耦合和外部耦合。内部耦合通过控制折射率、增益区分布、构造适当的有源层、衬底和覆盖层等措施来使位相得到锁定，但是此种机制相应的发光单元宽度大大限制了半导体列阵能够输出的功率，另外，其相应的系统不稳定性会随着发光单元的增多和驱动电流的增大而增大。外部耦合通过在半导体列阵外部采用位相共轭镜反馈注入锁定技术、主从激光器注入锁定技术、外腔镜技术实现锁相输出。

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。

利用工作中心波长为λ，慢轴列阵周期为d，腔长为L_c＝d²/2λ，外腔镜法线方向垂直于慢轴的1/4Talbot外腔镜技术能够成功地锁定大功率半导体列阵相位，但相应远场分布为双瓣结构，标明相应震荡模式为最高阶超模；按照分数Talbot腔场分布规律，为使系统震荡于基超模，以得到远场分布为单瓣结构、接近衍射极限的极佳输出，必须将此1/4Talbot外腔镜在慢轴方向适当地偏转一定角度，这是二维半导体叠层列阵采用外腔技术选择基超模震荡的方式，已成功地获得工程实现，然而，在此项技术应用于超大功率二维半导体列阵锁相时，在倾斜适配角度的外腔镜使列阵选择基超模震荡后，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形变不断加剧，再加上平台震动等，导致最高阶超模震荡。因此，必须对超大功率二维半导体列阵采取稳模措施，以使列阵能够稳定地震荡于基超模，输出高质量激光束，为此，本发明给出了一种超大功率半导体列阵外腔形变补偿量获取技术，

发明内容

本发明针对的技术问题描述：当半导体列阵采用1/4Talbot外腔镜技术锁相时，在其外腔镜由垂直于发光单元的位置偏转β＝λ/2d后，外腔镜将发光单元发出的最高阶超模光反射并成像于发光单元间，从而，腔内损耗极大，同时，将发光单元发出的基超模光反射并成像于发光单元内，因而列阵将选择基超模震荡，列阵及相应光场分布如图1所示。但是，对于超大功率二维半导体列阵，在采用此技术锁相时，虽然列阵的冷却子系统能够保障列阵持续工作，随着列阵输出功率的增加，由于残余热效应等作用于外腔镜，将引起β漂移，对于光发区慢轴宽度为S的任意一个发光单元，当β漂移超过Sλ/2d²时，超过一半的基超模反射光将成像于发光单元之间，导致最高阶超模占优；当β漂移超过((d-S)λ)/2d²时，超过一半的最高阶超模反射光将成像于发光孔中，也将导致最高阶超模占优，为保障列阵恒定不变地震荡于基超模，必须及时地补偿外腔镜形变引起的β漂移，而外腔形变补偿量获取是成功补偿的系统输入源泉，对于补偿操作而言，是决定成败的关键第一步。

本发明针对的技术问题解决办法：随着列阵输出基超模激光功率的增大，由于残余热效应、以及运行环境等给列阵锁相带来的影响，引起1/4Talbot外腔镜技术锁相半导体列阵的外腔镜形变，导致β发生近似对称性的双向漂移，本发明针对性地采用双路锁相稳定伺服系统，即与CCD1相关锁相稳定伺服子系统和与CCD2相关锁相稳定伺服子系统，各实时测量β一个方向的漂移量，并分别适时补偿之，克服β一个方向漂移对锁相稳定性的影响。两路探测补偿子系统联合探测补偿，使列阵稳定地与运行于基超模。

图2为本发明超大功率二维半导体锁相列阵双路自适应传感补偿系统结构设计、构成元素、及运行示意图，各发光单元发出的激光传送至外腔镜的传输长度为1/4Talbot腔长，即L_C＝d²/2λ，外腔镜在慢轴对应方向偏转角度β＝λ/2d；由He-Ne激光器发出的激光束，经匹配扩束镜扩束，再由分光镜反射，投射到倾斜β的1/4Talbot外腔镜反射面上，尔后，经外腔镜反射的He-Ne激光束将穿透分光镜，射向反射镜R1.1和R1.2，经反射镜2反射后，对应R1.1的那部分He-Ne激光束将经变焦光学器件1调节，以匹配透镜1，成像于CCD1上，经处理器1处理，获知此激光束光斑质心，标定后，在锁相列阵运行时，实时感测此光斑质心的变化，获取与之对应的的校正斜率，再通过运行全量补偿量获取法，获取补偿相应外腔形变所需补偿量，再由相应补偿外腔形变的子系统各单元协同，经相应高压驱动模块按相关压电补偿器所需驱动电压值等驱动R1.1上的压电补偿器膨胀，补偿β在此方向的漂移(参见具体实施方式)；与克服β一个方向漂移的上述CCD1相关锁相稳定伺服子系统同时操作，其余的He-Ne激光束，即对应R1.2的那部分，将经变焦光学器件2调节，以匹配透镜2，成像于CCD2上，相应光斑质心标定及由外腔形变引起的变化量直至驱动相关压电补偿器所需驱动电压值等的获取由处理器2及相关设备完成，然后再配合相应D/A、相应高压驱动模块，驱动R1.2的压电补偿器PZT膨胀，使外腔镜另外一个方向的形变得到补偿(参见具体实施方式)。与CCD1相关锁相稳定伺服子系统和与CCD2相关锁相稳定伺服子系统两路完全等同，不但两路子系统可互换，而且在软硬件、操作上，二者各功能等同部分亦可互换。

附图说明

图1为倾斜β的1/4Talbot外腔镜技术锁相半导体列阵及相应光场分布示意图，β＝λ/2d；

图2为运行本发明的双路可互换超大功率二维半导体列阵锁相稳定技术系统示意图；

图3为采用本发明所给出技术及其配套外腔形变补偿技术前，超大功率半导体列阵锁相运行的典型输出场分布，由于外腔镜受残余热效应等影响而变形，导致非基超模振荡，远场变成了三瓣结构。

图4为采用本发明所给出技术及其配套外腔形变补偿技术后，超大功率半导体列阵锁相运行的典型输出场分布，为单瓣结构，可见，β漂移被校正，外腔形变感测补偿子系统能够保障列阵稳定地运行于基超模，本发明能够很好地伺服列阵稳定锁相运行。

下面通过实例具体说明本发明内容：

具体实施方式

传感探测光源发出的He-Ne激光，经匹配扩束镜扩束，再由分光镜反射，投射到倾斜β的1/4Talbot外腔镜反射面上，尔后，被外腔镜反射的激光束将穿透分光镜，射向反射镜R1.1和R1.2，经反射镜2反射后，变焦光学器件1调节来自R2.1的激光束，使得透镜1聚焦自身入射光束于CCD1上，与此同时，变焦光学器件2调节来自R2.2的激光束，使得透镜2将另一半入射光束成像于CCD2上。

CCD上光斑质心为(x_C，y_C)，通过

$x_C=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{x}_{\mathrm{ij}}{I}_{\mathrm{ij}}}{\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{I}_{\mathrm{ij}}},$$y_C=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{y}_{\mathrm{ij}}{I}_{\mathrm{ij}}}{\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{I}_{\mathrm{ij}}}$

计算得出，式中M是CCD像素阵列式中的行数，N是CCD像素阵列式中的列数，x_ij是像素(i，j)的x坐标，y_ij是像素(i，j)的Y坐标，I_ij对应像素(i，j)的输出光强值。如果在外腔镜未发生形变时，一光斑质心为(x_C0，y_C0)，那么，外腔镜发生形变后，相应光斑质心要发生一定偏移而变为(x_C1，y_C1)，如果相应透镜的焦距为f，则所需校正斜率为

S_x＝(x_C1-x_C0)/f，S_y＝(y_C1-y_C0)/f；

引发β漂移的是外腔Z轴向形变，故而，当漂移量为Δβ时，对外腔镜反射面上任意一点而言，如果其至双向漂移的对称中心线的距离为l，则仅需使反射面在对应Z轴向逆向转动

δ_z＝(l/2)*Δβ；

就可补偿一个方向的漂移，这使得处理器可在获得所需参数，并实时计算出S_x和S_y后，按

δ_z＝(ω_aa)*(ω_xS_x+ω_y*S_y)

计算所需补偿量，式中，2a为X方向外腔镜长度，ω_x、ω_y、ω_a为分别对应S_x、S_y、a的性能精度加权值，与外腔镜两个方向的形变量及其补偿交联相关，此为全量补偿量获取法获知补偿量，从而能够适时补偿β漂移的关键。

对于β漂移扰动频率而言，压电补偿器的传输函数P_tf按常数处理就能很好地满足区域感测补偿稳模自适应控制的精度和速度需求，相应补偿器为补偿相关本发明有益效果：双路自适应传感补偿稳模系统通过两路测量子系统和补偿子系统联合测量和补偿，能够很好地伺服于倾斜λ/2d的1/4Talbot外腔镜技术，克服外腔镜形变给超大功率二维半导体列阵锁相带来的影响，使列阵能够稳定地震荡于基超模。外腔镜形变所需驱动电压

V_Z＝δ_Z/P_tf；

据此，相关处理器在适时计算出驱动电压后，配合D/A、高压驱动模块等，驱动压电补偿器的PZT膨胀，补偿外腔镜形变。

为补偿β双向漂移，外腔镜对应R1.1那个方向形变的探测、运算、补偿的处理，由R1.1、CCD1、处理器1、配套D/A、高压驱动模块1、配套压电补偿器协同完成操作；同时，外腔镜另一个方向，即对应R1.2的那个方向形变的探测、运算、补偿的处理，由R1.2、CCD2、处理器2、配套D/A、高压驱动模块2、配套压电补偿器协同完成操作。

本发明有益效果：本发明给出的超大功率半导体列阵外腔形变补偿量获取技术，其与配套外腔形变补偿技术一道，能够很好地伺服于倾斜λ/2d的1/4Talbot外腔镜技术，克服外腔镜形变给超大功率二维半导体列阵锁相带来的影响，使列阵能够稳定地震荡于基超模，稳定地获得高质量输出，使列阵对工作环境的适应性得到增强。