专利名称：标准光锁相阵列激光器的制作方法
技术领域：
本实用新型与产生高功率锁相激光的阵列激光器有关。
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。
实用新型的内容本实用新型的目的是提供一种结构简明，功率高，位相相干性好的标准光锁相阵列激光器。
本实用新型是这样实现的本实用新型标准光锁相阵列激光器，由一个标准位相源(8)和若干相同单元组成，每个单元包含有单元激光源(5)和来自标准位相源(8)的作为位相标准的激光(1)，来自单元激光源(5)的一束激光与调相器(4)的光输入端相连，并通过调相器(4)的光输出端输出，通过光分束器(6)从调相器输出激光中分出一部分光或直接从激光源(5)中分出一部分光与标准激光(1)一起输入鉴相器(2)，转换为电信号后输出到信号处理电路(3)，然后输出控制信号到调相器(4)的控制信号输入端。为方便起见，称从激光源(5)输入调相器(4)的激光为被控制光，从激光源(5)输入鉴相器(2)的激光为取样光。
标准位相源(8)由半导体激光器或气体激光器或固体激光器或化学激光器或光纤激光器或准分子激光器和一个光分束器组成(图3，图4)，该激光器输出激光到光分束器后被分成若干束激光，每一束激光分别用作一个阵列单元的位相标准激光(1)。激光器与恒流激光电源相连。化学激光器可以没有电源。
标准位相源(8)由光纤激光器或半导体激光器或气体激光器或固体激光器或化学激光器或准分子激光器和一个光分束器组成(图6)，该激光器的腔内激光被光分束器分成若干束激光，每一束激光分别用作一个阵列单元的位相标准激光(1)。激光器与恒流激光电源相连。化学激光器可以没有电源。
如图5，单元激光源(5)由单元激光器和光分束器组成，单元激光器发出的光经光分束器后被分成两束光，即被控制光和取样光。鉴相器(2)由光耦合器和PIN光电二极管组成，来自单元激光源(5)的取样光和位相标准激光(1)经光耦合器合束后入射PIN光电二极管，鉴相器(2)产生输出电信号到信号处理器(3)，信号处理器(3)为放大器，放大的电信号输入调相器(4)，调相器(4)为LiNbO3位相调制器。LiNbO3位相调制器的激光输入端与单元激光源(5)的被控制光光路相连，并输出锁相激光。
鉴相器(2)接收两束激光输入，并输出一电信号，该电信号反映了两输入激光的位相差。
鉴相器(2)为PIN光电二极管或APD雪崩二极管或肖特基光电二极管，二极管加反向电压，参见图9，两束激光直接输入二极管光窗口，输出电信号与信号处理器(3)输入端相连。
鉴相器(2)为若干PIN光电二极管或APD雪崩二极管或肖特基光电二极管和一个光耦合器组成，二极管加反向电压，参见图5或图7或图8，两束激光输入光耦合器后再输入二极管光窗口，输出电信号与信号处理器(3)输入端相连。
信号处理器(3)为放大器。具有输入输出两端口。本放大器包括前置放大。
调相器(4)根据输入控制信号控制通过它的激光位相。它具有激光输入和激光输出端口以及控制信号输入端口。
调相器(4)为电光调相器或光光调相器或磁光调相器或声光调相器。
调相器(4)为电光调相器中的LiNbO3晶体位相调制器或KDP晶体位相调制器或KTP晶体位相调制器或BBO晶体位相调制器，参见图(10)KDP晶体位相调制器结构图。
激光源(5)提供激光输出，包括被控制光或被控制光和取样光。激光源(5)可以采用任意类型的激光器。
激光源(5)为光纤激光器或半导体激光器或气体激光器或固体激光器或化学激光器或准分子激光器，激光器输出一束被控制光到调相器(4)。激光器与恒流激光电源相连，化学激光器可以没有电源。
激光源(5)由半导体激光器或气体激光器或固体激光器或化学激光器或光纤激光器或准分子激光器和一个光分束器组成，该激光器输出激光到光分束器后被分出一束取样光和一束被控制光。输出的被控制光到调相器(4)，输出的取样光到鉴相器(2)。激光器与恒流激光电源相连，化学激光器可以没有电源。
激光源(5)由光纤激光器或半导体激光器或气体激光器或固体激光器或化学激光器或准分子激光器和一个光分束器组成(图6)，光分束器位于激光器的光学谐振腔内，该激光器的腔内激光被光分束器分出一束取样光输入鉴相器(2)。光分束器分出的另一部分光输入调相器(4)。激光器与恒流激光电源相连，化学激光器可以没有电源。
激光源(5)包含有半导体激光器或气体激光器或固体激光器或化学激光器或光纤激光器或准分子激光器，调相器(4)位于激光器的光学谐振腔的腔内或腔外，如图1图2，激光器的腔内或腔外激光从调相器(4)的光输入端入射并从调相器(4)的光输出端出射。
光分束器和光耦合器是简单光无源器件。光分束器将输入光分成若干子光束。光耦合器将若干激光合束后再分成若干束。
本实用新型是光电混合系统，上述各器件之间的连接既包含光连接也包含电连接，图1中单黑色连接线表示光连接，光连接意味着光信息和能量在空间上的传递，可用各种光波导实现，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。图1中双黑色连接线表示控制信号的连接主要是电信号连接。
以图1为例说明整个系统的工作原理用作位相标准的激光1输入鉴相器2，来自单元激光源5的取样光也输入鉴相器2。鉴相器探测两束光的位相差，把它转换成控制电信号，该信号经信号处理器3放大，然后作用在调相器4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。只要单元控制系统的响应时间与单元激光的统计性质之间满足一定的关系，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。
图1为本实用新型的单元框图之一。
图2为本实用新型的单元框图之二。
图3为本实用新型的阵列框图之一。
图4为本实用新型的阵列框图之二。
图5为本实用新型的单元结构图。
图6为激光源结构图。
图7为鉴相器结构图之一。
图8为鉴相器结构图之二。
图9为鉴相器结构图之三。
图10为KDP晶体位相调制器结构图。
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。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)，鉴相器(2)，信号处理(3)，调相器(4)，以及单元激光源(5)。若干相同单元和标准位相源(8)组成一个完整的高性能阵列激光器，如图1，2，3。
实施例1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。如图4，选用一个半导体激光器与一光分束器组成一个标准位相源(8)，激光器输出的激光经过光分束器后被分成若干束，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5，单元激光源(5)由半导体激光器和光分束器组成。鉴相器(2)由光耦合器和PIN光电二极管组成。信号处理器(3)为放大器。调相器(4)为LiNbO3位相调制器。
半导体激光器的输出激光经光分束器后被分成光强各为输入光强95％和5％的两束光，强度小的一束作为取样光与用作位相标准的激光经光耦合器合束后输入PIN光电二极管。PIN光电二极管探测的信号反映了两束光的位相偏差，该电信号经过放大，输入LiNbO3位相调制器的射频输入端口，即图5中的RF端口，另一RF端口通过一电阻接地，位相调制器的外壳也接地。放大器和位相调制器之间应使用同轴电缆来连接，并将同轴电缆的外包层接地。从RF端口输入的电信号对通过该位相调制器的光具有位相调制的作用。从图5中可以看到，前面提到的分束器的输出光中较强的一束被输入到LiNbO3位相调制器，因此该光束位相发生预期的变化，也就是消除了半导体激光器输出的激光相位与用作位相标准的激光相位之间的随机变化，得到了相对固定的位相关系，即锁相激光输出。从而实现对半导体激光器输出激光位相的控制。本实施例中所用的位相调制器型号为T-PM W-10-Y-Z(日本Sumitomo Osaka Cement Co.Ltd.)，PIN光电二极管型号为PT2111或PT2112(深圳飞通光电股份有限公司)。
图3中标准位相源8分出的激光用作位相标准激光1与图3中所有的单元之间也存在同样的过程，将各个单元规律地进行排列，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。
另外，为了与实施例2进行对比，称本实施例中的取样和调相为腔外取样和腔外调相。
实施例2图6仅表示图1图2中的单元激光源(5)结构框的一种实施，其余结构框的实施可参照实施例1。单元激光源(5)由光纤激光器和光分束器组成，其中光分束器位于光纤激光器的光学谐振腔内。光纤激光器的光学谐振腔由两个光纤光栅和中间相连的光纤组成，如图6。一个泵浦光源所发出的光能泵浦光纤激光器中的增益介质，在光学谐振腔内产生激光振荡。图5中的取样光取自光学谐振腔内，可称为腔内取样。产生的取样光与位相标准激光(1)一同输入鉴相器并控制调相器的过程与实施例1相同。
再考虑到调相的情况，以此类推，可以有腔内取样腔外调相的实施例；腔外取样腔内调相的实施例；腔外取样腔内调相的实施例等等。
实施例3
图7，图8，图9表示图1图2中的鉴相器(2)结构框的一种实施，其余结构框的实施可参照实施例1实施例2。
实施例4图10表示图1图2中的调相器(4)结构框的一种实施，其余结构框的实施可参照实施例1实施例2实施例3。
权利要求1标准光锁相阵列激光器，其特征在于由一个标准位相源(8)和若干相同单元组成，每个单元包含有单元激光源(5)和来自标准位相源(8)的作为位相标准的激光(1)，来自单元激光源(5)的一束激光与调相器(4)的光输入端相连，并通过调相器(4)的光输出端输出，通过光分束器(6)从调相器输出激光中分出一部分光或直接从激光源(5)中分出一部分光与标准激光(1)一起输入鉴相器(2)，转换为电信号后输出到信号处理电路(3)，然后输出控制信号到调相器(4)的控制信号输入端。
2根据权利要求1所述的阵列激光器，其特征在于调相器(4)为电光调相器，信号处理电路(3)为放大器，输出控制电信号到调相器(4)的电控制信号输入端。
3根据权利要求1所述的阵列激光器，其特征在于单元激光源(5)为半导体激光器或气体激光器或固体激光器或化学激光器或光纤激光器或准分子激光器，激光器输出的激光输入调相器(4)，或单元激光源(5)由半导体激光器或气体激光器或固体激光器或化学激光器或光纤激光器或准分子激光器和一个光分束器组成，光分束器位于激光器的光学谐振腔的腔内或腔外，光分束器分出的一部分光与位相标准激光(1)一同输入鉴相器(2)，光分束器分出的另一部分光输入调相器(4)。
4根据权利要求1所述的阵列激光器，其特征在于单元激光源(5)包含有半导体激光器或气体激光器或固体激光器或化学激光器或光纤激光器或准分子激光器，调相器(4)位于激光器的光学谐振腔的腔内或腔外。
5根据权利要求1所述的阵列激光器，其特征在于标准位相源(8)由半导体激光器或气体激光器或固体激光器或化学激光器或光纤激光器或准分子激光器和一个光分束器组成，光分束器位于激光器的光学谐振腔的腔内或腔外，光分束器产生若干束激光，每一束激光分别用作一个阵列单元的位相标准激光(1)。
6根据权利要求1所述的阵列激光器，其特征在于鉴相器(2)包含有一个或若干个PIN光电二极管或APD雪崩二极管或肖特基光电二极管，信号处理电路(3)为放大器，调相器(4)为电光调相器，调相器有射频控制信号输入端与路(3)为放大器，调相器(4)为电光调相器，调相器有射频控制信号输入端与放大器(3)的输出端相连，两束激光直接输入光电二极管光窗口或先经过一个光耦合器后输入光电二极管光窗口，光电二极管加反向电压，输出电信号与放大器(3)输入端相连。
7根据权利要求2所述的阵列激光器，其特征在于调相器(4)为LiNbO3晶体位相调制器或KDP晶体位相调制器或KTP晶体位相调制器或BBO晶体位相调制器。
8根据权利要求2所述的阵列激光器，其特征在于调相器(4)为LiNbO3位相调制器，位相调制器的射频(RF)输入端输入来自信号处理电路(3)的电信号，另一射频端接地，位相调制器的激光输入端通过光纤与单元激光源(5)相连，位相调制器的激光输出端与输出光纤相连。
专利摘要本实用新型标准光锁相阵列激光器，由一个标准位相源(8)和若干相同单元组成，每个单元包含有单元激光源(5)和来自标准位相源(8)的作为位相标准的激光(1)，来自单元激光源(5)的一束激光与调相器(4)的光输入端相连，并通过调相器(4)的光输出端输出，通过光分束器(6)从调相器输出激光中分出一部分光或直接从激光源(5)中分出一部分光与标准激光(1)一起输入鉴相器(2)，转换为电信号后输出到信号处理电路(3)，然后输出控制信号到调相器(4)的控制信号输入端。
文档编号H01S3/00GK2660745SQ20032011520
公开日2004年12月1日 申请日期2003年12月5日 优先权日2003年12月5日
发明者杨春林, 张蓉竹 申请人:杨春林