专利名称：主动锁相阵列激光器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种新型激光器，具体的说，属于激光技术领域里的主动锁相阵列激光器。
背景技术：
激光是20世纪的重大发明之一，激光具有相干性好、方向性好、亮度高等优点，在许多领域有着重要的用途。将若干激光器按一定规律排放，即阵列激光，阵列激光相比单个激光器而言，可以获得更高的光功率。但是，常规激光器的输出激光的位相都有随机漂移，并且互相独立，即它们发出的激光互相之间统计性质独立，没有相干性，这就意味着某一束激光的传输与其他激光无关。因此，多个激光的光束质量不能得到改善。在半导体激光领域，有采用耦合模(High-powercoherent GaAs-based monolithic diode lasers，SPIE，2001，Vol.4287，67～70)的方法来实现阵列激光的互锁相，以便得到较好的相干性和光束质量，但随着阵列规模的扩大，其性能迅速下降。随着现代光电子技术的发展，现有阵列激光技术与锁相技术已难以满足高功率激光的需要。另外，传统固体(或气体、化学)激光实现高功率和高性能的途径都是不断对光进行放大，这样需要非常复杂的光学系统，制造成本昂贵。之所以不采用阵列化实现高功率激光输出，是因为没有很好的解决阵列激光器发出的多束激光之间的相干性问题。
光学中所谓的相干性，是由于激光的位相是一种随机过程，因此光的传输和相互作用都依赖于它的统计性质，而光的相干性就是它的一种统计性质。激光的优异性能和它具有良好的相干性是密不可分的。只有良好的相干性才有可能获得良好的光束质量。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种新型主动锁相阵列激光器，它适用于包括半导体、固体、气体在内的各种类型的单元激光器。所谓锁相，即位相跟踪的意思，是指控制一个波动信号去跟踪另一个波动信号，使得两个波动信号的位相尽可能保持一致。激光可看作是一种波动信号，在激光技术领域，以前的锁相都是通过耦合模等方法来实现，外界不加干涉。本实用新型是通过控制系统的作用，以外界介入的方式控制阵列激光的位相，故称之为主动锁相，或直接称为控制系统锁相。它能通过一个控制系统的作用，使得一组互相独立的激光相干，就好像一束激光一样，从而在比单个激光功率提高很多的同时，也能保此互相之间良好的相干性，获得比普通未锁相阵列激光以及耦合模锁相阵列激光更为优越的性能。
本实用新型的目的是这样实现的本实用新型是一种阵列器件，其每一单元的主要部件包括一束用作位相标准的激光1，光耦合器2，控制系统，光分束器6，以及单元激光器7。若干相同单元组成一个完整的高性能阵列激光器。
用作位相标准的激光1的功能是提供一个标准位相信息，用来计算单元激光器7的输出激光的位相偏差，每个单元激光器的输出激光位相都和一个相同的标准位相互相比较，才能使整个阵列激光的位相趋于一致。光耦合器2的功能是把两束光合成一束输出。鉴相器3的功能是探测输入光强度所反映的位相信息，并把它转换成电信号。控制电路4的功能是将电信号放大，并输出。调相器5的功能是实施控制，即根据输入信号的大小控制通过它的激光的位相，调相器通常可以利用非线性光学晶体的电光效应来实现，也可以用利用其他适当的效应的器件来替换。鉴相器3、控制电路4和调相器5共同组成了控制系统。如果调相器5采用电光调制，其输入是电信号，则控制电路4最少只需要实现一个放大器的功能，并输出放大后的信号到调相器5；若调相器5采用光光调制等其它调制方法，则输入不是电信号，相应控制电路4还需要把信号进行适当的转换，以便与调相器5的输入匹配。光分束器6的功能是把一束光分成两束光，即61，62，其中一束61用于位相信息的采样，另一束62沿主光路作为能量输出。单元激光器7提供激光输出，是被控制的对象，它可以是半导体激光器、固体激光器、气体激光器、化学激光器等任意一种类型的激光器。上述各光学器件之间可用光纤连接，也可以让光在空气等介质中自由传播，并通过光路调整来实现连接。
当整个系统工作时，用作位相标准的激光1输入光耦合器2，单元激光器7的输出激光经过分束器6也输入光耦合器2，两束光合成一束后输入鉴相器3。鉴相器探测光的强弱，实际上也就探测出了用作位相标准的激光1与单元激光7之间的位相偏差，把它转换成控制电信号，该信号经控制电路4放大，然后作用在调相器上，使得通过调相器的主光路激光的位相与标准激光的位相趋于一致。由鉴相器3，控制电路4，调相器5组成的单元控制系统的等效电路参见图3。图中一个雪崩二级管用作鉴相器3(也可以用PIN光电二极管实现同样功能)，一个放大器用来实现控制电路4的功能，一个LiNbO3位相调制器用作调相器5。虚线右边是LiNbO3位相调制器的等效电路，可以用一个电阻R和一个电容C来模拟它。雪崩二级管输出的电信号经过放大器后作用在LiNbO3位相调制器上补偿主光路激光的位相漂移，从而实现对主光路激光位相的控制。LiNbO3晶体、KDP晶体、KTP晶体等多种非线性电光晶体可实现位相调制功能。只要单元控制系统的响应时间与单元激光的相干时间相比足够小，就能实现对位相的良好的跟踪控制。这样，阵列器件中任意单元的输出激光的位相都与标准激光趋于一致，这就实现了阵列激光的锁相，也即实现了互相干。
可以安排用作位相标准的激光1直接输入鉴相器3，并且单元激光器7的输出激光经过分束器6分出的采样光束也直接输入鉴相器3，两束光直接在鉴相器3中发生干涉，则光耦合器2可以取消。本实用新型的特点是在以阵列获得高功率的同时，以锁相方式保持高性能。普通未锁相的阵列激光，如半导体阵列激光，由于光束质量差，只能用作光源泵浦固体激光器，即所谓的DPSL。本实用新型所指的阵列激光是锁相的，且由于标准激光是作为信号源使用的，因此阵列激光的规模几乎不受限制，锁相质量(相干性)可以达到均匀稳定的高水平，光学性能远优于现有的阵列激光和锁相阵列激光产品和技术。这种高功率锁相阵列激光可作为一种产品应用于工业激光加工、无线光通信、军事等许多领域。
图1为本实用新型主动锁相阵列激光器的单元结构示意图图2为主动锁相阵列阵列激光器结构示意图图3为一种单元控制等效电路示意图图4为另一种控制方式的主动锁相阵列激光器的单元结构示意图
具体实施方式
本实用新型适用于单元激光是任何类型的阵列激光锁相。下面，将结合附图1～4并通过实施例对本实用新型的内容作进一步的说明。我们以尾纤输出的半导体激光器为例，来说明一种具体实现的主动锁相阵列激光。
实施例1本实用新型是一种阵列器件，其每一单元的主要部件包括一束用作位相标准的激光1，光耦合器2，鉴相器3，控制电路4，调相器5，光分束器6，以及单元激光器7如图1所示。若干相同单元组成一个完整的高性能阵列激光器，如图2所示。将一个半导体激光器用作标准激光器9，其输出的激光经过一个光纤分束器8分成若干束，每一束子光束分别输入对应的每一个独立单元中，用作位相标准的激光1。如图1所示，任一单元的位相标准激光1与通过光分束器6从主光路上分出的采样光束在光耦合器2中合成一束，用一个鉴相器3(雪崩二极管)对光耦合器2中输出的光进行强度探测，探测到的光强信息就反映了用作位相标准的激光1与单元激光7之间的位相偏差，它将探测到的光强度信号转换为电信号，通过控制电路4对调相器5进行控制，主光路上的光经过调相器5后相位产生了变化，也就是消除了单元激光器7输出的激光相位与用作位相标准的激光1相位之间的随机变化，得到了相对固定的位相关系。由鉴相器3，控制电路4，调相器5组成的任一单元的控制系统的等效电路参见图3。这里一个雪崩二级管用作鉴相器3(也可以用PIN光电二极管实现同样功能)，一个放大器用来实现控制电路4的功能，一个LiNbO3位相调制器用作调相器5。图中虚线右边是LiNbO3位相调制器的等效电路，可以用一个电阻R和一个电容C来模拟它，雪崩二级管输出的电信号经过放大器后作用在LiNbO3位相调制器上补偿主光路激光的位相漂移，从而实现对主光路激光位相的控制。光纤分束器8分出的激光用作位相标准激光1与单元2，单元3...之间也存在同样的过程，将各个单元根据需要按一定规律进行排列，就可以得到相位关系固定的、一致的阵列激光，最终得到相干光输出。
实施例2锁相阵列激光与实施例1相比较，实施例2是一个反馈型的控制系统，如图4所示。它们的不同之处在于实施例2的鉴相器3探测的是用作位相标准的激光1与通过调相器5后的主光路激光之间的位相关系，再通过控制电路4对调相器5进行反馈控制，使得主光路上输出的激光与用作位相标准的激光1之间的位相差总是保持在较低的水平上，从而实现了每一个单元激光的锁相。
权利要求1.主动锁相阵列激光器，其特征在于它由若干个相同的单元组成，所述的单元主要由一束用作位相标准的激光(1)，单元激光器(7)，光分束器(6)，以及控制系统组成；单元激光器的输出激光经光分束器(6)分成激光61和62，激光61与位相标准激光(1)一同输入控制系统，该控制系统对激光62实施调相控制。
2.根据权利要求1所述的主动锁相阵列激光器，其特征在于所述的用作位相标准的激光(1)与控制系统之间有光耦合器(2)，相位标准的激光(1)输入光耦合器(2)并与光分束器(6)输出激光61合束后输入控制系统。
3.根据权利要求1或2所述的主动锁相阵列激光器，其特征在于所述的控制系统由鉴相器(3)，与之相连的控制电路(4)和与控制电路(4)相连的调相器(5)组成。
4.主动锁相阵列激光器，其特征在于它由若干个相同的单元组成，所述的单元主要由一束用作位相标准的激光(1)，单元激光器(7)，光分束器(6)，调相器(5)，控制电路(4)，鉴相器(3)组成；单元激光器(7)的输出激光通过调相器(5)输出后由光分束器(6)分成激光61和62，激光61与位相标准激光(1)一同输入鉴相器(3)，鉴相器(3)与控制电路(4)相连，控制电路(4)的输出端与调相器(5)相连，由调相器(5)对单元激光器(7)的输出激光调相。
5.根据权利要求4所述的主动锁相阵列激光器，其特征在于所述的用作位相标准的激光(1)与控制系统之间有光耦合器(2)，位相标准激光(1)输入光耦合器(2)并与光分束器(6)输出激光61合束后输入鉴相器(3)。
6.根据权利要求1或4所述的主动锁相阵列激光器，其特征在于每个相同单元中用作位相标准的激光(1)是由同一标准激光器(9)经光纤分束器(8)分束后获得。
专利摘要本实用新型主动锁相阵列激光器由若干个相同的单元组成，每个单元主要部件包括一束用作相位标准的激光、光耦合器、单元激光器、光分束器、鉴相器、控制电路、调相器组成。本实用新型所指的阵列激光是锁相的，且由于标准激光是作为信号源使用的，因此阵列激光的规模几乎不受限制，锁相质量可以达到均匀稳定的高水平，光学性能远优于现有的阵列激光和锁相阵列激光产品和技术。这种高功率锁相阵列激光产品可广泛应用于工业激光加工，无线光通信、军事等许多领域。
文档编号H01S5/40GK2609239SQ0323369
公开日2004年3月31日 申请日期2003年3月26日 优先权日2003年3月26日
发明者张蓉竹, 杨春林 申请人:张蓉竹