CN102013630A - 半导体激光模块,半导体激光器的稳定和降噪方法以及固体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体激光模块，包括：半导体激光器、驱动半导体激光器的驱动电路、自动功率控制组件、及对半导体激光器发出的激光进行整形的光学元件，自动功率控制组件由光电二极管、单独安装于一个封闭盒子中的分束器、电流放大器、比较器、和参考信号发生器组成，光电二极管产生的反馈信号经电流放大器放大输入到比较器，与预设的参考信号比较，再根据比较结果调节直流偏置。本发明改进的自动功率控制组件真实反映了激光器输出的波动、提高了自动功率控制的效果。

Description

半导体激光模块,半导体激光器的稳定和降噪方法以及固体激光器 

技术领域

本发明涉及一种半导体激光模块，一种半导体激光模块中的半导体激光器的稳定和降噪方法，以及一种包含前述半导体激光模块的固体激光器。 

背景技术

为消除半导体激光器的跳模现象，最常用的方法是使用电子温控器。例如美国专利US6,590,912将温度控制在±0.5度。但是单纯的温度控制对稳定半导体激光器的效果十分有限，也不能完全消除跳模现象。另一种常用的方法是单模输出。缺点是大大增加了结构的复杂性和生产成本。而且单模输出对许多应用不合适。由此引出一种基于相反理念的设计，即通过对低相干多模输出的统计平均降低噪音。该种设计理念以美国专利US6,049,073；US6,385,219；及US6,678,306为代表。这些专利技术的共同缺点之一是调制信号的占空比不超过50％，因而限制了输出功率。美国专利US6,999,838在调制信号占空比方面有所提高，但与其他现有技术一样无法彻底消除跳模，更无法消除模式分配噪声。 

短波长(例如蓝光)半导体激光器常基于氮化镓材料。这类激光器的输出光谱对温度和电流非常敏感，也因此抑制跳模现象的难度更甚于通常的砷化镓激光器。 

宽发光截面半导体激光器常用于大功率激光输出，例如作为光泵浦源，或用于检测仪器。除高稳定、低噪声外，这些用途还常要求光束横向强度分布的均匀性和稳定性。到目前为止光束横向强度分布的均匀性基本通过光学方法实现。光学处理无法稳定模式，也无法消除跳模。美国专利5,065,401探讨了用非光学方法实现稳定横模的技术，但对如何实现均匀的光束横向强度分布则毫无涉及。 

自动功率控制无法消除跳模现象或模式分配噪声，但有利于稳定功率输出。 自动功率控制系统通常根据反馈回路提供的信号调整驱动电流。关键在于精确的采样。现有的自动功率控制系统，例如美国专利6,625,381和6,999,838，在激光管后腔镜(高反端)采样，而且光电二极管受到杂散光的干扰，采样的精确度和灵敏度均不高，也因而无法有效稳定输出功率。 

图2a为一种现有自动功率控制系统，体从半导体激光管后腔镜(高反端)251采集反馈信号。不仅灵敏度差而且反馈信号受外界参量例如激光管工作温度影响很大。由光学元件反射或其他因素产生的杂散光也使光电二极管接收到的信号不能真实反映输出功率的波动。为便于描述，可用简单的数学式：Ip＝κ(tbΦl+ΔtbΦl+Φs)，其中Ip代表光电二极管电流，κ为光电转换系数，tb是激光管高反端的透光率，Δtb表示透光率随激光管工作温度、电流变化而引起的波动，Φl代表激光光通量，Φs则是进入光电二极管的杂散光光通量。除了杂散光直接引起的光电二极管电流噪音，由于激光管高反端的透光率很低，很小的透光率变化也会造成光电二极管电流的显著波动。 

现有技术的半导体激光器仍然存在严重的跳模现象和模式分配噪声。 

发明内容

本发明的目的是提供一种消除跳模和模式分配噪声的半导体激光模块。 

本发明的目的通过提供以下技术方案来实现： 

一种半导体激光模块，包括：半导体激光器、驱动半导体激光器的驱动电路、自动功率控制组件、及对半导体激光器发出的激光进行整形的光学元件，半导体激光器为端面发射半导体激光器、或面射型半导体激光器、或外腔半导体激光器、或宽发光截面半导体激光器；驱动电路由直流偏置电路和射频信号发生器组成，射频信号发生器产生的信号被叠加在直流偏置上，使驱动电流被周期性调制；自动功率控制组件由光电二极管、单独安装于一个封闭盒子中的分束器、电流放大器、比较器、和参考信号发生器组成，其中分束器将从半导体激光器前腔射出的激光束一分为二，使激光束大部分光能被用作半导体激光器的输出，小部分光能被引入光电二极管以产生反馈信号；光电二极管的受光表面朝向所 述封闭盒子，封闭盒子具有一个进口，和两个出口，所述进口接受半导体激光器射出的光束，一个出口与光电二极管的受光表面紧密相接，另一个出口作为激光器的输出耦合；光电二极管仅接受由分束器分出的前述小部分光能；光电二极管产生的反馈信号经电流放大器放大输入到比较器，与预设的参考信号比较，再根据比较结果调节直流偏置。 

进一步的，射频信号发生器产生的信号的幅度可以调节，用于相应调制驱动电流。

进一步的，射频信号发生器产生的信号的波形为正弦波形，或畸变正弦波形，或经全波整流而具正弦绝对值波形。 

进一步的，所述射频信号发生器为窄脉冲发生器；由窄脉冲发生器产生的窄脉冲串与由直流偏置线路产生的偏置电流通过耦合电感合成驱动电流；偏置电流被设定在半导体激光器的额定工作电流。 

进一步的，还包括一个分流器；偏置电流被设定在半导体激光管的额定工作电流；射频信号发生器周期性驱动分流器，使流过半导体激光管的驱动电流瞬间低于阈值，半导体激光管瞬间停止工作直至分流结束而重新启动。 

进一步的，半导体激光器可热接触的安装于一个电子温控器上，所述电子温控器的温度可调节，以相应改变半导体激光管的输出波长。 

本发明的另一目的是提供一种半导体激光器的消除跳模和模式分配噪声的方法。 

本发明的目的通过提供以下技术方案来实现： 

一种半导体激光器的稳定和降噪方法，包括以下步骤：产生射频调制的电流；以射频调制电流驱动半导体激光器，使激光器输出模式持续处于过渡态或非稳态；对激光输出采样，采样信号来自激光器输出耦合镜并与杂散光隔离；通过光电二极管将接受的光信号转换为电信号； 

反馈检测到的电信号，并通过比较器与预置的参考信号比较；根据比较结果调节直流偏置；其中半导体激光器可以是端面发射半导体激光器、面射型半 导体激光器、外腔半导体激光器、或宽发光截面半导体激光器。 

该方法进一步包括以下步骤：以射频调制电流驱动多横模宽发光截面半导体激光器，造成持续非稳态横模结构；统计平均的结果以使光束横向强度分布均匀化。 

本发明的另一目的是提供一种消除跳模和模式分配噪声的固体激光器。 

本发明的目的通过提供以下技术方案来实现： 

一种固体激光器，由半导体激光器、驱动半导体激光器的驱动电路、固体增益介质、谐振腔镜、自动功率控制组件、电子温控器、及对半导体激光器发出的激光进行整形的光学元件构成，所述半导体激光器产生波长与固体增益介质吸收峰匹配的泵浦光，泵浦光的强度高于固体激光器的阈值；半导体激光器由驱动电路驱动，驱动电路由一直流偏置单元和一个射频信号发生器组成；驱动电路产生的驱动电流被以射频调制，调制深度可通过射频信号的振幅调节；在射频调制驱动电流的控制下半导体激光器输出稳定的光谱与光束横向强度分布；自动功率控制组件由光电二极管、单独安装于一个封闭盒子中的分束器、电流放大器、比较器、和参考信号发生器组成，其中分束器将从半导体激光器前腔射出的激光束一分为二，使激光束大部分光能被用作半导体激光器的输出，小部分光能被引入光电二极管以产生反馈信号；光电二极管的受光表面朝向所述封闭盒子，封闭盒子具有一个进口，和两个出口，所述进口接受半导体激光器射出的光束，一个出口与光电二极管的受光表面紧密相接，另一个出口作为激光器的输出耦合；光电二极管仅接受由分束器分出的小部分光能；光电二极管产生的反馈信号经电流放大器放大输入到比较器，与预设的参考信号比较，再根据比较结果调节直流偏置；半导体激光器可热接触的安装于一个电子温控器上，所述电子温控器的温度可调节，以相应改变半导体激光管的输出波长，使之与固体增益介质吸收峰匹配。 

进一步的，还包括一个或多个非线性晶体，由固体激光器输出的激光通过这些非线性晶体进行一级或多级非线性频率转换。 

本发明改进的自动功率控制组件真实反映了激光器输出的波动、提高了自动功率控制的效果。 

本发明中，驱动电流被深度调制，即驱动电流在半导体激光管额定电流和低于阈值电流的范围以射频频率变化，以至半导体激光管在每个调制周期被彻底关断一次同时光腔中对上一周期振荡模式的记忆被完全清除，然后以随机模式重新振荡。如此提高了统计的随机性，从而有效地消除跳模和模式分配噪声。。按照本发明，调制信号占空比可根据需要调节，从50％到接近100％，可用于大功率激光输出。 

以本发明的控制电路驱动的半导体激光管为泵浦源的固体激光器具有稳定的频率、光谱和空间模式，泵浦光能被有效并稳定地注入固体增益介质，从而提高固体激光器的工作效率，并且具有稳定的输出和全时低噪音。 

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明： 

图1为本发明的一具体实施例的半导体激光器的设计方块图。 

图2a为现有技术的自动功率控制系统采样原理简图。 

图2b为本发明的一具体实施例的自动功率控制系统采样原理简图。 

图3a为正弦调制波形及相应的激光输出波形。 

图3b为本发明的一具体实施例的产生正弦调制波形的控制电路功能图。 

图4a描绘正弦绝对值调制波形及相应的激光输出波形。 

图4b为本发明的一具体实施例的产生正弦绝对值调制波形的控制电路功能图。 

图5a为被窄脉冲串负向叠加的直流调制波形及相应的激光输出波形。 

图5b本发明的一具体实施例的产生被窄脉冲串负向叠加的直流调制波形的控制电路功能图。 

图6a为被周期性分流的直流调制波形及相应的激光输出波形。 

图6b本发明的一具体实施例的产生被周期性分流的直流调制波形的控制 电路功能图。 

图7为本发明的一具体实施例的激光二极管泵浦的固体激光器结构方块图。 

图8为半导体激光二极管工作温度以匹配固体激光器增益介质吸收峰的工作原理图。 

图9a所示为宽发光截面半导体激光二极管光束横截面均匀度的实验结果。 

图9b所示为宽发光截面半导体激光二极管光束横模稳定性的实验结果。 

图10所示为宽发光截面半导体激光二极管输出光谱稳定性的实验结果。 

具体实施方式

以下参照附图说明本发明的具体实施例。 

如图1所示，半导体激光模块100基本光学结构包括以半导体激光管150(也称半导体激光器)为核心的激光器组件110、准直透镜120、反馈信号采样组件130、和由望远镜141和辅助透镜142组成的光束整形组件140。反馈信号采样组件130又包括分束器132，其功能是将准直后的激光输出103分成两部分，绝大部分的光103a经光束整形后输出，被分出小部分的光103b进入光电二极管135产生反馈信号。 

图2b描述了改进的自动功率控制系统的采样系统。分束器232被封闭在盒子236中。该封闭盒子只有一个进口237接受激光二极管射出的光束203，和两个出口：一个出口238与光电二极管235的受光表面紧密相接，另一个出口239则作为激光器的输出耦合。用简单的数学式描述，光电二极管产生的电流Ip＝βκ(tfΦl+ΔtfΦl)，，其中tf是激光管前腔镜(输出端)252的透光率，Δtf表示透光率随激光管工作温度、电流变化而引起的波动，β代表被分束器注入光电二极管的光通量203b与激光器输出总光通量203之比。由于光电二极管235的表面与238紧密相接，并朝向封闭盒子236，杂散光被完全隔离，消除了由杂散光引起的光电二极管电流噪音。同时，由于激光管输出端的透光率 远高于激光管高反端的透光率，激光器工作温度和电流变化而引起的反馈信号噪音大大降低。因此，本发明改进的采样系统真实反映了激光器输出的波动、提高了自动功率控制的效果。 

自动功率控制系统能保持平均输出功率的稳定，但无法有效地消除跳模和模式分配噪声。本发明采用深度射频调制，半导体激光管在每个调制周期重新建立振荡模式，每次建立的振荡模式与前一周期的振荡模式互不相干，从而增加了统计的随机性，也因而降低了噪音。由于振荡模式的建立和清除以射频速率交替进行，没有任何一个纵模能在模式竞争中占优势，跳模现象不再发生。而且跳模和模式分配噪声在相当宽的温度范围内均被抑制，因此本发明实现了全时间低噪声。 

传统调制采用正弦波形，如图3a所示。图的上左半部驱动电流Ith在最大额定电流Imax与接近零电流的范围变化，其调制深度超过图的上右半部。相应的激光输出见图的下左半部和下右半部。正弦波形可由一般的射频振荡器产生。但若用于深度调制，则平均输出功率受到限制。 

图3b以方块图的形式说明实现本发明的一种具体装置。由射频振荡器311产生的正弦电流与由直流偏置线路312产生的偏置电流在和接点313合成，为半导体激光管350提供正弦调制驱动电流。所产生激光的绝大部分303a经分束器332输出，其余激光303b被光电二极管335接受并在此转换为电信号。所产生的电信号被反馈放大器316放大，作为比较电路315的一端输入。比较电路的另一端输入由功率设置314提供的参考信号。参考信号的大小可根据对输出功率的需要调节。电源逻辑控制单元317在提供射频振荡器311和直流偏置线路312工作电压的次序上加以控制，以避免激光管瞬间工作在负压状态而造成损坏。产生的激光波形如图3a下部所示。 

对正弦波全波整流可提高调制占空比。波形如图4a所示，驱动电流Ith和激光输出分别相应位于图的上方和下方。数学上可表达为：|Imsin(ωt)|+ IDC，其中Im是正弦波振幅，ω为频率，IDC则代表直流偏置。驱动电流在IDC与Im+IDC间变化。图的左半部IDC接近零，Im接近激光管的最大额定电流，而图的右半部IDC接近激光管阈值，Im则大约是最大额定电流与阈值电流的差。同样，图的左半部调制深度超过图的右半部。 

图4a所示正弦绝对值调制波形可通过射频全波整流器418实现。其电路概念简图在图4b给出。产生的激光波形如图4a下部所示。 

另一种提高调制占空比的方法是在直流偏置上反向叠加以射频重复的窄脉冲串。直流偏置被设定在激光管的最大额定电流附近。其典型的波形如图5a所示。驱动电流Ith和激光输出分别相应位于图的上方和下方。脉冲的幅度决定调制深度。若脉冲的幅度在激光管最大额定电流附近，则调制深度达到极大。又若脉冲的脉宽足够窄，调制占空比可接近100％。 

图5b描绘了可产生图5a波形的一种线路。由窄脉冲发生器例如间歇振荡器511产生的窄脉冲串与由直流偏置线路512产生的偏置电流通过耦合电感513合成。偏置电流被设定在激光二极管的额定工作电流。窄脉冲串以射频重复率将驱动电流降至阈值以下而且足以使激光二极管失去对先前振荡模式的全部记忆。合成的驱动电流使激光管550工作在高占空比的射频调制状态。钳位二极管517对激光管起保护作用。产生的激光波形如图5a下部所示。 

进一步提高调制占空比还可通过瞬间分流的方法。典型的波形如图6a所示。驱动电流Ith和激光输出分别相应位于图的上方和下方。若分流的速度足够快，调制占空比可接近100％。 

图6b描绘了用瞬间分流产生图6a波形的一种线路。该装置的核心是分流器613，主要由开关三极管615组成。开关三极管的集电极与激光管650的正极通过耦合电容618相接。调节开关三极管发射极的电位Vs可改变分流的程度，即调制深度。分流不作用时，开关三极管的发射极与集电极之间处于高阻抗。偏置电流IDC，亦即是激光管的额定工作电流，通过电感612注入激光管650。 当开关三极管的基极被由射频振荡器611产生并经电流放大器616放大的脉冲信号触发而瞬间开通，并通过耦合电容618瞬间分流，使流过激光管650的驱动电流瞬间低于阈值，导致激光管瞬间停止工作直至开关三极管再次关闭。耦合电容618同时起到隔直作用。钳位二极管617对激光管起保护作用。产生的激光波形如图6a下部所示。 

本发明还可应用于以激光二极管为泵浦源的固体激光器。具有稳定的波长和光谱，并具有强度在时间和空间分布各方面都稳定的泵浦源是低噪音固体激光器的关键。波长和光谱稳定的光泵浦源对窄吸收光谱增益介质尤其重要。图7以方块图的形式描绘了一种应用本发明稳定固体激光器输出的装置。如图所示，固体激光器增益介质790被置于腔镜791(高反)与792(输出)之间。在泵浦源激励下产生的激光703经分束器732分束，其绝大部分703a作为输出，其余部分703b被导入光电二极管735，经光电转换形成反馈信号用于调整驱动电流直流偏置。驱动电流被射频调制器711产生的信号调制，使泵浦激光二极管750处于周期性开通-关断状态。由于射频调制和自动功率控制，泵浦激光二极管的波长、光谱、与强度都非常稳定。泵浦激光二极管的输出波长可通过与其有良好热接触的电子温控器780调节，以便与增益介质吸收光谱峰值匹配。如前所述，电源逻辑控制单元717控制为直流驱动电流及射频调制电流提供电能的次序，从而避免了泵浦激光二极管因被反向施压而损坏。 

图8进一步说明用电子温控器调节泵浦激光二极管输出波长以达到与增益介质吸收光谱峰值最佳匹配的工作原理。其纵轴为温度T，横轴为增益介质吸收光谱λ，图8现实了在温度调节下，泵浦波长随温度变化的波形。 

图9a显示宽发光截面半导体激光二极管光束横截面均匀度的实验结果。其上方为无射频调制的波形图，其下方为有射频调制的波形图。 

图9b所示为工作温度在20℃至25℃间变化时宽发光截面半导体激光二极管光束横模稳定性的实验结果。其中上方为无射频调制的波形图，其下方为 有射频调制的波形图。 

图10所示为宽发光截面半导体激光二极管输出光谱稳定性的实验结果。其中上左侧为有射频调制的波形图，右侧为无射频调制的波形图。 

这些实验结果证实本发明确实有助于改进半导体激光器输出在光谱、时间和空间定义下的稳定性；有助于消除跳模，实现全时间低噪音；也有助于宽发光截面半导体激光二极管光束激光横向强度分布的均匀化。 

需要理解到的是：上述说明并非是对本发明的限制，在本发明构思范围内，所进行的添加、变换、替换等，也应属于本发明的保护范围。 

Claims (10)

1.一种半导体激光模块，包括：半导体激光器、驱动半导体激光器的驱动电路、自动功率控制组件、及对半导体激光器发出的激光进行整形的光学元件，其特征在于：

半导体激光器为端面发射半导体激光器、或面射型半导体激光器、或外腔半导体激光器、或宽发光截面半导体激光器；

驱动电路由直流偏置电路和射频信号发生器组成，射频信号发生器产生的信号被叠加在直流偏置上，使驱动电流被周期性调制；

自动功率控制组件由光电二极管、单独安装于一个封闭盒子中的分束器、电流放大器、比较器、和参考信号发生器组成，其中分束器将从半导体激光器前腔射出的激光束一分为二，使激光束大部分光能被用作半导体激光器的输出，小部分光能被引入光电二极管以产生反馈信号；光电二极管的受光表面朝向所述封闭盒子，封闭盒子具有一个进口，和两个出口，所述进口接受半导体激光器射出的光束，一个出口与光电二极管的受光表面紧密相接，另一个出口作为激光器的输出耦合；光电二极管仅接受由分束器分出的前述小部分光能；光电二极管产生的反馈信号经电流放大器放大输入到比较器，与预设的参考信号比较，再根据比较结果调节直流偏置。

2.根据权利要求1所述的半导体激光模块，其特征是：射频信号发生器产生的信号的幅度可以调节，用于相应调制驱动电流。

3.根据权利要求1所述的半导体激光模块，其特征是：射频信号发生器产生的信号的波形为正弦波形，或畸变正弦波形，或经全波整流而具正弦绝对值波形。

4.根据权利要求1所述的半导体激光模块，其特征是：所述射频信号发生器为窄脉冲发生器；由窄脉冲发生器产生的窄脉冲串与由直流偏置线路产生的偏置电流通过耦合电感合成驱动电流；偏置电流被设定在半导体激光器的额定工作电流。

5.根据权利要求1所述的半导体激光模块，其特征是：还包括一个分流器；偏置电流被设定在半导体激光管的额定工作电流；射频信号发生器周期性驱动分流器，使流过半导体激光管的驱动电流瞬间低于阈值，半导体激光管瞬间停止工作直至分流结束而重新启动。

6.根据权利要求1所述的半导体激光模块，其特征是：半导体激光器可热接触的安装于一个电子温控器上，所述电子温控器的温度可调节，以相应改变半导体激光管的输出波长。

7.一种半导体激光器的稳定和降噪方法，其特征在于，包括以下步骤：

产生射频调制的电流；

以射频调制电流驱动半导体激光器，使激光器输出模式持续处于过渡态或非稳态；

对激光输出采样，采样信号来自激光器输出耦合镜并与杂散光隔离；

通过光电二极管将接受的光信号转换为电信号；

反馈检测到的电信号，并通过比较器与预置的参考信号比较；

根据比较结果调节直流偏置；

其中半导体激光器可以是端面发射半导体激光器、面射型半导体激光器、外腔半导体激光器、或宽发光截面半导体激光器。

8.根据权利要求7所述的导体激光器的稳定和降噪方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：

以射频调制电流驱动多横模宽发光截面半导体激光器，造成持续非稳态横模结构；统计平均的结果以使光束横向强度分布均匀化。

9.一种固体激光器，由半导体激光器、驱动半导体激光器的驱动电路、固体增益介质、谐振腔镜、自动功率控制组件、电子温控器、及对半导体激光器发出的激光进行整形的光学元件构成，其特征在于：

所述半导体激光器产生波长与固体增益介质吸收峰匹配的泵浦光，泵浦光的强度高于固体激光器的阈值；

半导体激光器由驱动电路驱动，驱动电路由一直流偏置单元和一个射频信号发生器组成；

驱动电路产生的驱动电流被以射频调制，调制深度可通过射频信号的振幅调节；

在射频调制驱动电流的控制下半导体激光器输出稳定的光谱与光束横向强度分布；

自动功率控制组件由光电二极管、单独安装于一个封闭盒子中的分束器、电流放大器、比较器、和参考信号发生器组成，其中分束器将从半导体激光器前腔射出的激光束一分为二，使激光束大部分光能被用作半导体激光器的输出，小部分光能被引入光电二极管以产生反馈信号；光电二极管的受光表面朝向所述封闭盒子，封闭盒子具有一个进口，和两个出口，所述进口接受半导体激光器射出的光束，一个出口与光电二极管的受光表面紧密相接，另一个出口作为激光器的输出耦合；光电二极管仅接受由分束器分出的小部分光能；光电二极管产生的反馈信号经电流放大器放大输入到比较器，与预设的参考信号比较，再根据比较结果调节直流偏置；

半导体激光器可热接触的安装于一个电子温控器上，所述电子温控器的温度可调节，以相应改变半导体激光管的输出波长，使之与固体增益介质吸收峰匹配。

10.根据权利要求9所述的固体激光器，其特征在于：还包括一个或多个非线性晶体，由固体激光器输出的激光通过这些非线性晶体进行一级或多级非线性频率转换。

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