CN102354908B - 一种提高半导体激光器输出峰值功率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高半导体激光器输出峰值功率的方法。光纤组是由不同长度的光纤组成，时序信号控制模块控制光开关依次打开光纤组里的其中一个光纤，同时关闭其余光纤，时序信号控制模块同时控制激光器发出m个光脉冲，这m个光脉冲按脉冲的时间间隔，依次通过光纤组中相应的光纤，使得各个光脉冲在发射端口处得到叠加，从而提高了半导体激光器的输出峰值功率。本发明在不增加激光器峰值功率和激光器个数的条件下，提高半导体激光器的输出峰值功率。本发明在军事上应用非常广泛，主要用于制导，引信，夜视光源，激光雷达，引爆，测距，侦察和识别等等，除了军用以外，主要还用于医疗，加工，通讯，光盘，打印，显示，计算机等。

Description

一种提高半导体激光器输出峰值功率的方法

技术领域

本发明涉及一种激光器，尤其是涉及一种提高半导体激光器输出峰值功率的方法。 

背景技术

半导体激光器又称激光二极管(LD)，它是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件。其工作原理是，通过一定的激励方式，在半导体物质的能带(导带与价带)之间，或者半导体物质的能带与杂质(受主或施主)能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用.半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器，一般是由GaAS(砷化镓)，InAS(砷化铟)，Insb(锑化铟)等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。光泵式半导体激光器，一般用N型或P型半导体单晶(如GaAS，InAs，InSb等)做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS，CdS，ZhO等)做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中，目前性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。 

随着人类科技进步与社会的发展需要，半导体激光器(LD)作为光电子技术中的关键器件，如何降低它的阈值电流，提高它的输出功率，一直是人们关心的课题，最近20年里，半导体激光器的输出功率有了很大提高，使半导体激光器由专业的科研工具变为固体激光器和光纤激光器的泵浦源从而广泛应用于实际工业生产中提高激光器的功率可以使光器输入相同电流时输出更大的光功率，如今市场上对大功率高可靠性半导体激光器需求的日益增加对激光器的输出功率提出了极高的要求。 

在激光技术发展的早期，获得高功率激光输出的最好方法是从大体积激光材料中提取能量。目前，仍然有一些应用在采用这种方法，比如在利弗莫尔国家实验室的国家点火装置(NIF)中，就利用了大块玻璃放大器把脉冲放大到1.8MJ。但是对于很多工业应用，掺镱光纤已经成为高功率激光介质的理想之选。通常由解理而得到的LD端面反射率约为30％，它并不是激光器的最佳反射率，因此有研究者提出可通过镀膜来改变LD的端面反射率，以增大LD的输出功率。 

目前来说阻碍LD大功率化的因素主要有两个：(1)随着注入电流加大，产生的焦耳热引起结温上升，导致器件退化；(2)大功率条件下，端面激射区高功率密度导致端面处晶体材料突发性光学损坏(COD)。COD往往发生在不到一微妙的时间内，长期以来，LD芯片大功率化结构设计一直在解决这两个主要问题上下功夫。 

解决以上问题的方法： 

(1)是降低LD的阈值电流(I_m)和提高其量子效率(QE)。90年代以来，用MBE和MOCVD薄层外延工艺，把有源层控制在几纳米至几十纳米范围内，外加梯度折射光波导，形成光，电分别限制额梯度折射率异质结量子阱结构，使I_m下降了9/10，QE提高了数倍，它已成为大功率LD的基本结构，获得广泛应用。 

(2)主要是扩大端面发光面积，降低单位面积的光功率密度。具体方式是以量子阱结构为基础，以大光腔，阵列集成为发展方向。 

发明内容

本发明的目的是提出一种提高半导体激光器输出峰值功率的方法，是采用多个光脉冲经过装有不同长度光纤的光纤组得到光脉冲的叠加，从而提高了半导体激光器的输出峰值功率。 

本发明采用的技术方案是： 

光纤组是由不同长度的光纤组成，时序信号控制模块控制光开关依次打开光纤组里的其中一个光纤，同时关闭其余光纤，时序信号控制模块同时控制激光器发出m个光脉冲，这m个光脉冲按脉冲的时间间隔，依次通过光纤组中相应的光纤，使得各个光脉冲在发射端口处得到叠加，从而提高了半导体激光器的输出峰值功率。 

所述的m个光脉冲的时间间隔，其第i个光脉冲和第i+1个脉冲的时间间隔为Δt_i，i＝0，1，2...m-1；假设每个光脉冲宽度为T，光开关的响应时间为G，则Δt_i≥T+G。 

所述的光纤组是具有多路不同长度的光纤，第i根光纤和第i+1根光纤的长度差值为A_i，i＝0，1，2...m-1，A_i＝vΔt_i，v为光脉冲在光纤中的传播速度，Δt_i为第i个光脉冲和第i+1个光脉冲的时间间隔；若第0根光纤为L₀，则第一根光纤为 L₀-A₀，则第i根光纤的长度则为 

i＝0，1，2...m-1；一开始光开关打开第0条光纤关闭其余光纤，此时激光器输出第0个光脉冲到第0根光纤，输出完毕后，将光开关打开第一根光纤关闭其余光纤，经过光脉冲时间间隔Δt₀之后，激光器输出第一个光脉冲到第一根光纤，以此类推，间隔时间Δt_i输出脉冲到下一根光纤。 

本发明具有的有益效果是： 

本发明在不增加激光器峰值功率和激光器个数的条件下，提高半导体激光器的输出峰值功率。 

本发明在军事上应用非常广泛，主要用于制导，引信，夜视光源，激光雷达，引爆，测距，侦察和识别等等，除了军用以外，主要还用于医疗，加工，通讯，光盘，打印，显示，计算机等。 

附图说明

附图1是本发明的工艺流程图。 

附图中：1、时序信号控制模块，2、激光器，3、光开关，4、光纤组，5、发射端口。 

具体实施方式

如附图所示，本发明包括时序信号控制模块1，激光器2，光开关3，光纤组4，发射端口5。光纤组4是由不同长度的光纤组成，时序信号控制模块1控制光开关3依次打开光纤组里的其中一个光纤，同时关闭其余光纤，时序信号控制模块1同时控制脉冲激光器2发出m个光脉冲，这m个光脉冲按脉冲的时间间隔，依次通过光纤组4中相应的光纤，使得各个光脉冲在发射端口5处得到叠加，从而提高了半导体激光器的输出峰值功率，可以达到原有峰值功率的m倍。 

本发明提高半导体激光器输出功率的原理： 

时序控制模块控制光开关打到光纤组中的第0根光纤同时关闭其余光纤，光纤长度为L0，光纤的长度依次递减，同时控制半导体激光器发射第0个激光脉冲到第0根光纤中，发送完毕后，时序控制模块控制光开关打开第1根光纤关闭其余光纤，...，发送完第i-1个脉冲后，打开第i根光纤，关闭其余光纤，...，发送完第m-1个脉冲后，打开第m根光纤，关闭其余光纤。 

假设第i个光脉冲和第i+1个光脉冲发出的时间间隔为Δt_i(i＝0，...m-1)，假设第0个光脉冲在时刻0时发出，则第i个光脉冲的输出时间为： 

$t_i=\underset{k=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{t}_k;i=\mathrm{0,1,2},...m-1---\left(1\right)$

另外一方面，第1根光纤的长度为： 

L₁＝L₀-A₀                        (2) 

式中的A₀为第0根光纤与第1根光纤长度的差值。 

容易得出第i根光纤的长度为： 

$L_i=\left\{\begin{array}{c}{L}_0,i=1\\ L_0-\underset{k=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{A}_k,i=\mathrm{1,2},...m-1\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中的A_k为第k根光纤和第k+1根光纤长度的差值，其中： 

A_i＝vΔt_i；i＝0，1，2，...m-2    (4) 

由(3)式可知，第i个光脉冲从输出到发射端口，经历了时间： 

Δu_i＝L_i/v                       (5) 

式中的v为光脉冲在光纤中的传播速度。 

如果从第0个光脉冲输出开始计时，由(1)，(2)，(4)，(5)式可知，经历了时间： 

$u_i=t_i+\mathrm{\Δ}{u}_i=\underset{k=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{t}_k+(L_0-\underset{k=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{A}_k)/v=L_0/v;i=\mathrm{0,1,2},...m-1---\left(6\right)$

因此m个光脉冲能够同时到达发射端口产生叠加，从而达到提高激光器输出峰值功率的目的。 

本发明的实质是在不增加激光器功率和激光器个数的条件下，提高了半导体激光器的输出峰值功率。 

Claims (1)

1.一种提高半导体激光器输出峰值功率的方法，其特征在于：光纤组（4）是由不同长度的光纤组成，时序信号控制模块（1）控制光开关（3）依次打开光纤组里的其中一个光纤，同时关闭其余光纤，时序信号控制模块（1）同时控制激光器（2）发出m个光脉冲，这m个光脉冲按脉冲的时间间隔，依次通过光纤组（4）中相应的光纤，使得各个光脉冲在发射端口（5）处得到叠加，从而提高了半导体激光器的输出峰值功率；

所述的m个光脉冲的时间间隔，其第i个光脉冲和第i+1个脉冲的时间间隔为Δt_i，i＝0,1,2…m-1；假设每个光脉冲宽度为T，光开关的响应时间为G，则Δt_i≥T+G；

所述的光纤组（4）是具有多路不同长度的光纤，第i根光纤和第i+1根光纤的长度差值为A_i，i＝0,1,2…m-1，A_i＝vΔt_i，v为光脉冲在光纤中的传播速度，Δt_i为第i个光脉冲和第i+1个光脉冲的时间间隔；若第0根光纤为L₀，则第一根光纤为L₀-A₀，则第i根光纤的长度则为

i＝0,1,2…m-1；一开始光开关打开第0条光纤关闭其余光纤，此时激光器输出第0个光脉冲到第0根光纤，输出完毕后，将光开关打开第一根光纤关闭其余光纤，经过光脉冲时间间隔Δt₀之后，激光器输出第一个光脉冲到第一根光纤，以此类推，间隔时间Δt_i输出脉冲到下一根光纤。