专利名称：一种分离式超大功率半导体列阵外腔形变补偿量半量获取技术的制作方法
技术领域：
本发明属于服务于超大功率半导体列阵选择同相模运行的稳定性控制的外腔形变补偿量获取技术，涉及超大功率半导体列阵外腔锁相，涉及通过偏转适配角度的外腔镜使列阵选择同相模震荡后，对残余热效应等引起外腔形变的测量，涉及补偿列阵外腔形变补偿量获取，涉及避免外腔形变导致非同相模起振。
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LC＝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异相模；按照分数Talbot腔场分布规律，为使系统震荡于同相模，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同相模震荡的方式，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同相模震荡后，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，导致异相模震荡。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同相模，输出高质量激光束，为此，本发明给出了一种分离式超大功率半导体列阵外腔形变补偿量获取技术，是补偿β漂移的关键一步，只有在获取补偿量后，外腔形变补偿装置才能被启动，在其与配套外腔形变补偿技术匹配后，列阵可稳定地选择同相模振荡运行。
发明内容
本发明针对的技术问题描述当采用1/4Talbot外腔镜技术锁相半导体列阵的外腔镜垂直于发光单元时，外腔镜将发光单元发出的同相模光反射并成像于发光单元间，从而，腔内损耗极大，但却将发光单元发出的异相模光反射并成像于发光单元内，因而1/4Talbot外腔镜技术锁相半导体列阵将选择异相模震荡，列阵及相应光场分布如图1所示。在外腔镜偏转β＝λ/2d后，如图2所示，发光单元发出的光经外腔镜反射后将偏转λ/d，相应地，如图3所示，被反射的同相模光与异相模光将交换二者在发光单元的成像位置，从而，采用倾斜β＝λ/2d的1/4Talbot外腔镜技术锁相的半导体列阵将选择同相模震荡，但是，对于采用此技术锁相的超大功率二维半导体列阵，虽然列阵的冷却子系统能够保障列阵持续工作，但是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，超过一半的同相模反射光将成像于发光单元之间，导致异相模占优；当β漂移超过((d-S)λ)/2d2时，超过一半的异相模反射光将成像于发光孔中，也将导致异相模占优，为保障列阵恒定不变地震荡于同相模，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同相模激光功率的增大，对于残余热效应使β发生近似对称性的双向漂移，采用两组外腔镜形变感测及补偿设备，图4为相应系统结构设计、构成元素、及运行示意图，其各发光单元发出的激光传送至外腔镜的传输长度为LC＝d2/2λ，即1/4Talbot腔长。分光镜1将主动感测光源发出的He-Ne激光一分为二，其反射光经反射镜1反射、匹配扩束镜扩束、分光镜2反射而投射到外腔镜反射面上，随即，被外腔镜反射的激光束穿透分光镜2，经反射镜R2.1和R2.2、反射镜3反射后，变焦光学器件1调节米自R2.1的激光束，使得透镜1聚焦自身入射光束于CCD1上，由处理器1计算此光斑质心；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，由处理器2计算此光斑质心。在外腔镜未发生形变时，一光斑质心为(xC0，yC0)，在标定后，外腔镜发生形变后，相应光斑质心要发生一定偏移而变为(xC1，yC1)，处理器1实时计算CCD1上成像光斑质心的变化量，并在其达到门限时，通过运行半量补偿量获取法(参见具体实施方式
)获知补偿量，然后再配合相应D/A、相应高压驱动模块，驱动安装在图4所示外腔镜末端位置的相应压电补偿器PZT膨胀，完成对应R2.1的外腔镜形变的补偿操作，使外腔镜一个方向的形变得到补偿，从而适时补偿β在一个方向的漂移；同时，处理器2实时计算CCD2上成像光斑质心的变化量，并在其达到门限时，通过运行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，驱动安装在图4所示R2.2上末端位置的压电补偿器PZT膨胀，完成对应R2.2的外腔镜形变的补偿操作，使外腔镜另外一个方向的形变得到补偿，从而适时补偿β在另外一个方向的漂移。如此，通过外腔形变感测设备实时感知外腔镜的状态，补偿设备适时补偿，使得外腔锁相列阵克服β漂移带来的影响，稳定地震荡于同相模运行。
图1为1/4Talbot外腔镜技术锁相半导体列阵及相应光场分布示意图； 图2为倾斜适配角度的外腔镜使列阵选择同相模震荡所需位置条件示意图，β＝λ/2d 图3为对应图2的列阵反馈光场分布示意图； 图4为运行本发明所给出技术的系统示意图； 图5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，导致非同相模振荡，远场变成了三瓣结构。
图6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同相模，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
具体实施例方式 采用He-Ne激光器作为主动感测光源，分光镜1将其发出的激光束分裂为透射光部分和反射光部分，其透射光部分将直接投射到通过特制固定设备固定在外腔镜上的四象限探测器上，以测量其所在端外腔镜的位移，固定设备的热膨胀系数与外腔镜相近，四象限探测器平行于外腔镜反射面，一方面，可以在处理器1控制下，配合外加电压，测量其所在端外腔镜的位移，得到补偿设备计算补偿量所需的补偿响应，这大大简化了相关系列操作；另一方面，在相应补偿设备执行补偿的同时，基于四象限探测器的位移测量系统适时测量其所在端外腔镜的位移，监控补偿设备执行的补偿量，为优化性能加权提供依据。
分光镜1的反射光部分将由反射镜1反射，经匹配扩束镜扩束后，再由分光镜2反射，将此部分He-Ne激光光束投射到1/4Talbot外腔镜反射面上，尔后，被外腔镜反射的光束将穿透分光镜2，经反射镜R2.1和R2.2反射，再经反射镜3反射后，对应R2.1的光束将经变焦光学器件1调节，以匹配透镜1、成像于CCD1，对应R2.2的He-Ne激光束经变焦光学器件2、透镜2成像于CCD2，无论是对应CCD1的成像光斑还是对应CCD2的成像光斑，光斑质心(xC，yC)可通过 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，xij是像素(i，j)的x坐标，yij是像素(i，j)的Y坐标，Iij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(xC0，yC0)，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(xC1，yC1)，如果相应透镜的焦距为f，则所需校正斜率为 Sx＝(xC1-xC0)/f，Sy＝(yC1-yC0)/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 δz＝(l/2)*Δβ； 就可补偿一个方向的漂移。
从而，对于与CCD1感测参数对应方向的外腔形变，在处理器获得所需参数，并实时计算出成像于CCD1上光斑相应的Sx和Sy后，按 δz＝(ωaa)*(ωxSx+ωy*Sy)/2 计算所需补偿量，式中，2a为X方向外腔镜长度，ωx、ωy、ωa为分别对应sx、sy、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，此为半量补偿量获取法获知补偿量，从而能够适时补偿β在一个方向的漂移的关键。
由于未施加驱动电压时，压电补偿器不膨胀，投射到四象限探测器上的激光束中心与四象限探测器中心重合，相应差动电流响应Iz＝0；但当施加驱动电压Vc时，投射到四象限探测器上的激光束中心与四象限探测器中心将分开一定距离δz，相应差动电流响应 式中Ic为投射到四象限探测器上的激光强度，rz为光束半径，CZ是探测器光电转换效率。经滤波器、积分器、放大器等处理后，Iz可被转换为电压Vz，如适当选取分路稳模系统参数，Vz可与对应δz的电压Vc相等，如放大系数为Ac，积分系数为CI，压电补偿器传输函数为GZ(s)，则 Vz(s)＝Vc(s)＝AcIz(s)/d(s)， 式中， d(s)＝CI+Iz(s)AcGz(s)/δz(s)； 可见，对一定的压电补偿器，δz与Vc的关系是一定的，可事先测量并存储在处理器中，以服务于实时计算系统所需补偿电压Vz。从而，压电补偿器补偿β漂移所需驱动电压可对照δz计算得到，并在处理器、D/A、高压驱动模块等配合下，完成补偿操作。
具体运行时，β在一个方向漂移由R2.1、CCD1、处理器1、配套D/A、高压驱动模块1、配套压电补偿器，完成相应Sx、Sy、δz、Vz有关感测操作和补偿操作；β在另一个方向漂移由R2.2、CCD2、处理器2、配套D/A、相应高压驱动模块2、配套压电补偿器，完成相应Sx、Sy、δz、Vz有关感测操作和补偿操作 本发明有益效果本发明给出的分离式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伺服倾斜λ/2d的1/4Talbot外腔镜技术，很好地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同相模，对工作环境的适应性得到增强。
权利要求
1.服务于超大功率半导体列阵选择同相模运行的稳定性控制的外腔形变补偿量获取技术，其特征在于在外腔内构建探测补偿子系统通过半量补偿量获取法获知补偿量。
2.对于半量补偿量获取法，其工程应用需特定的运行环境，其特征在于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，获得一个光斑，并由处理器1计算此光斑质心、以及计算相应标定后的变化量，从而获取外腔镜一个方向的形变信息，并在其达到门限时，通过半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。
3.对于半量补偿量的获取，其特征在于对于与CCD1相应β在一个方向的漂移，以与CCD1相关的校正斜率加权后的一半值为输入，获取补偿量。
全文摘要
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，通过半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，服务于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。
文档编号H01S5/00GK101127435SQ20071004947
公开日2008年2月20日 申请日期2007年7月9日 优先权日2007年7月9日
发明者然 蔡 申请人:然 蔡, 荣 健, 钟晓春