CN100539332C - 一种超大功率半导体列阵外腔形变感测补偿技术 - Google Patents

Abstract

本发明提供了服务于超大功率半导体列阵稳定选择同相模的超大功率二维半导体列阵锁相区域感测补偿稳模系统结构设计方式方法，给出了探测子系统和补偿子系统的构建方式方法，包括构建两路探测子系统和补偿子系统，相应与CCD1相关的探测子系统和与外腔镜末端位置相关的补偿子系统的构建运行方式方法，与CCD2相关的探测子系统和与R2.2相关的补偿子系统的构建运行方式方法；在每一路探测子系统各探测一个方向形变参数的基础上，联合协同优化获取外腔形变补偿量的方式方法，及相应补偿外腔镜形变的方式方法。通过构建适配外腔转折结构的探测子系统和补偿子系统运行区域感测补偿锁相稳模技术，实现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。

Description

一种超大功率半导体列阵外腔形变感测补偿技术

技术领域

本发明属于服务于超大功率半导体列阵稳定选择同相模的外腔形变感测技术和补偿技术，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自动测量方式方法、自动测量系统构架，涉及补偿列阵外腔形变的补偿方式方法、补偿列阵外腔形变的补偿系统构架，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，本发明给出了一种外腔形变感测补偿技术。

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。

本发明针对的技术问题解决办法：对于残余热效应等引起的1/4Talbot外腔镜技术锁相半导体列阵的外腔镜形变，采用两路探测子系统和补偿子系统联合探测补偿，通过测量外腔形变的子系统各单元协同，测量被外腔镜反射的He-Ne激光束波前斜率相关参数，计算出外腔形变量和所需补偿量，再由补偿外腔形变的子系统各单元协同，补偿外腔形变，抵消β扰动引起的超模光成像位置的改变。图4为本发明系统结构设计、构成元素、及运行示意图，可见，对于图示的超大功率二维半导体列阵锁相区域感测补偿稳模系统，其各发光单元发出的激光传送至外腔镜的传输长度为L_C＝d²/2λ，即1/4Talbot腔长，其外腔结构设计不同于直筒型结构，为独特的转折结构，相应外腔镜法线方向与列阵发光单元法线方向有一定夹角，典型的取值是九十度；而直筒型结构的外腔镜法线方向与列阵发光单元法线方向平行；为选择同相模，外腔镜在慢轴对应方向偏转一个角度β＝λ/2d，随着列阵输出同相模激光功率的增大，残余热效应将使β发生近似对称性的双向漂移，因而，两组外腔镜形变感测及补偿设备被针对性地采用，即与R2.1相关的形变感测及补偿设备和与R2.2相关形变感测及补偿设备，适时感知外腔镜的状态，各适时感测β一个方向的漂移量，并分别适时补偿之。

本发明采用He-Ne激光器作为主动感测光源，分光镜1将其发出的激光束一分为二，其中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，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，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斜率响应矩阵，这大大简化了相关系列操作：同时，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，以匹配微透镜阵列1，从而，每一个微透镜能将穿透其的光束成像于CCD1上一个像素阵列，即CCD1上一个固定区域，相应光斑质心、子孔径对应波前斜率，以及对应CCD1的波前斜率最大值、对应CCD1的波前斜率均值、驱动相关压电补偿器所需驱动电压值的获取由处理器1完成，然后再配合相应D/A、相应高压驱动模块，由安装在图4所示外腔镜末端位置的相应压电补偿器PZT，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；在对应R2.1的形变感测设备探测出形变量，并给出相应补偿量后，由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。对应R2.2，当相应He-Ne激光束经变焦光学器件2调节，以匹配微透镜阵列2，从而，每一个微透镜能将穿透其的光束成像于CCD2上一个像素阵列，其光斑质心、子孔径对应波前斜率，以及对应CCD2的波前斜率最大值、对应CCD2的波前斜率均值、驱动相关压电补偿器所需驱动电压值的获取由相应处理器2完成，然后再配合相应D/A、相应高压驱动模块，由安装在图4所示R2.2上末端位置的压电补偿器PZT，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。

本发明针对外腔镜形变具有不确定性，补偿系统模型具有不确定性，压电补偿执行机构存在迟滞和非线性效应，结合模型摄动、两路探测子系统和补偿子系统协同，对控制进行优化，在满足探测子系统和补偿子系统有关参数匹配感测光源，控制器适配补偿器幅度特性、频率特性，使探测子系统和补偿子系统具备足够的分辨率和控制精度条件下进行系统设计，获得足够的探测和补偿能力，更优地对进行探测和补偿操作。

附图说明

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为超大功率二维半导体列阵锁相区域感测补偿稳模系统示意图；

图5为锁相系统优化流程框图，图中D(S)为探测器传输函数，C(S)为控制器传输函数，M(S)为执行机构传输函数，S₀对应列阵选择同相模的反馈光最佳成像位置，S对应列阵选择超模的反馈光实际成像位置，Δ对应外腔镜形变扰动，ρ对应模型摄动，W_ω为摄动加权函数，必须覆盖系统的不确定范围，

、e、M(S)、Δ分别表示加权后的S₀、e、M(S)、Δ。

图6为未采用本发明给出的技术前，依靠倾斜λ/2d的1/4Talbot外腔镜技术锁相的超大功率二维半导体列阵，在输出一段时间后，典型输出场分布，可见，外腔形变导致了震荡模式的变化。

图7为采用本发明给出的技术后，依靠倾斜λ/2d的1/4Talbot外腔镜技术锁相的超大功率二维半导体列阵，典型输出场分布，可见，外腔形变得到了很好的补偿，列阵稳定地震荡于基超模。

下面通过实例具体说明本发明内容：

具体实施方式

来自分光镜1的透射光部分直接投射到外腔镜末端的四象限探测器上，以测量其所在端外腔镜的位移；反射光部分经反射镜1反射、匹配扩束镜扩束、分光镜2反射，投射到1/4Talbot外腔镜，被反射后，穿透分光镜2，并经反射镜R2.1和R2.2、反射镜3反射后，对应R2.1的He-Ne激光束经变焦光学器件1、微透镜阵列1成像于CCD1，对应R2.2的He-Ne激光束经变焦光学器件2、微透镜阵列2成像于CCD2，对应任意子孔径的光斑质心(x_C，y_C)，可通过

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

计算得出，M是对应此子孔径的像素阵列式中的行数，N是像素阵列式中的列数，x_ij是像素阵列中像素(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，一个光斑质心为(x_Ck0，y_Ck0)，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_Ck1，y_Ck1)，如果此微透镜的焦距为f，则相应光斑波前斜率为

S_xk＝(x_Ck1-x_Ck0)/f，S_yk＝(y_Ck1-y_Ck0)/f；

对微透镜总数为Ω的微透镜阵列1而言，各子孔径对应波前斜率

S_x＝[S_x1，S_x2，S_x3，...，S_xΩ]，S_y＝[S_y1，S_y2，S_y3，...，S_yΩ]；

最大值

S_x(MAX)＝maxS_xk＝max[S_x1，S_x2，S_x3，...，S_xΩ]，

S_y(MAX)＝maxS_yk＝max[S_x1，S_x2，S_x3，...，S_xΩ]；

均值

${\stackrel{\‾}{S}}_x=\frac{1}{\mathrm{\Ω}}\underset{k=1}{\overset{\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{xk}},$ ${\stackrel{\‾}{S}}_y=\frac{1}{\mathrm{\Ω}}\underset{k=1}{\overset{\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{yk}}$

驱动压电补偿器所需驱动电压值为

V_C＝G*S＝[G_xG_y]*[S_xS_y]^T

以上处理，与R2.1相关部分由处理器1完成，与R2.2相关部分由处理器2完成，G事先通过测量计算得到存储在处理器中，以供实时计算V_C时调用。

由于只要补偿β漂移即可补偿外腔镜形变，从而保障列阵始终震荡于同相模，据此，可采用四象限探测器及其配套设备简化系统及测试，在未给压电补偿器施加驱动电压时，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I_z＝0；当给压电补偿器施加驱动电压V_c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δ_z，相应差动电流响应

$I_z=\left(\sqrt{8}{I}_c{C}_z{\mathrm{\δ}}_z\right)/\left(\mathrm{\π}{r}_z\right),$

式中I_c为投射到四象限探测器上的He-Ne激光强度，r_z为光束半径，C_Z是探测器光电转换效率。经滤波器、积分器、放大器处理后，I_z可被转换为电压V_z，适当选取系统参数设计和实现，V_z可与使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分开δ_z的电压V_c相等，如放大系数为A_c，积分系数为C_I，压电补偿器传输函数为G_z(s)，则压电补偿器所需驱动电压

V_z(s)＝V_c(s)＝A_cI_z(s)/d(s)，

式中，

d(s)＝C_I+I_z(s)A_CG_z(s)/δ_z(s)；

可见，对一定的压电补偿器，δ_z与V_c的关系是一定的，可事先测量并存储在相关处理器中，以服务于实时补偿计算。

当残余热效应使β发生漂移的漂移量为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，则为补偿外腔镜形变，使得Δβ变为零，压电补偿器需要膨胀

δ_z＝(l/2)*Δβ；

对于处理β对应R2.1的漂移，在处理器1获得相关参数，并计算出相关感测部分的Sx和S_x(MAX)后，就可按

δ_z＝(ω_ρa)*(ω_x1S_x+ω_x2*S_x(MAX))/2，

计算与R2.1相关的外腔镜形变所需补偿量，式中，ω_x1、ω_x2、ω_ρ为的性能精度加权值，分别对应S_x、S_x(MAX)、a，并与两个方向形变及补偿协同交联相关，根据相应结果，相关处理器就能够适时计算出相应压电补偿器补偿外腔镜形变所需驱动电压，在D/A、高压驱动模块配合下，补偿与R2.1相关的外腔镜形变。

对于处理β在另一个方向漂移，即与R2.2相关的漂移，在处理器2获得相关参数，并计算出相关感测部分的Sx和S_x(MAX)后，就可按

δ_z＝(ω_ρa)*(ω_x1S_x+ω_x2*S_x(MAX))/2，

计算，获取与R2.2相关的外腔镜形变所需补偿量，式中，ω_x1、ω_x2、ω_ρ为的性能精度加权值，分别对应S_x、S_x(MAX)、a，并与两个方向形变及其补偿协同交联相关，是系统优化设计一个重要方面，根据相应结果，相关处理器能够适时计算出相应压电补偿器补偿外腔镜形变所需驱动电压，在D/A、高压驱动模块配合下，补偿与R2.2相关的外腔镜形变。同时，在保证设计要求的前提下，尽可能选择便于工程实现的低阶次的加权函数满足系统性能要求，使各参量被其相应性能加权函数修正，图5为相关流程框图，此种情形下，压电补偿器的传输函数P_if可按常数处理，从而，为补偿相关外腔镜形变所需驱动电压为

V_Z＝δ_Z/P_if；

有关探测和补偿操作就简洁而高效。

图6为未采用本发明给出的技术前，依靠倾斜λ/2d的1/4Talbot外腔镜技术锁相的超大功率二维半导体列阵，在输出一段时间后，典型输出场分布，可见，外腔形变导致了震荡模式的变化；图7为采用本发明给出的技术后，依靠倾斜λ/2d的1/4Talbot外腔镜技术锁相的超大功率二维半导体列阵，典型输出场分布，可见，外腔形变得到了很好的补偿，列阵稳定地震荡于基超模。

本发明有益效果：区域感测补偿稳模系统通过两路探测子系统和补偿子系统联合探测和补偿，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同相模。

Claims (1)

1、一种使超大功率二维半导体激光列阵稳定选择同相模震荡的方法，该超大功率二维半导体激光列阵采用在慢轴方向偏转角度 $\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\λ}}{2d}$ 的

外腔镜技术锁相，d为慢轴列阵周期，λ为工作中心波长，外腔采用转折结构，其特征在于：该方法采用两路探测子系统和补偿子系统联合探测补偿，每路探测子系统和补偿子系统各探测和补偿外腔镜形变引起的所述偏转角度一个方向的漂移量，其中以He-Ne激光器作为主动感测光源，通过测量被外腔镜反射的He-Ne激光束波前斜率相关参数，计算出外腔形变量和所需补偿量。

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