CN103094837B - 一种方向可控激光器系统 - Google Patents

Abstract

一种方向可控激光器系统，属于激光器技术领域，其包括依次连接的激光源、波导、相位控制系统；所述的激光源包括：半导体激光器阵列（1），为本系统提供光源，其中每个发光单元镀增透膜；微透镜阵列（2），将半导体激光器阵列（1）的发光单元发出的光整形并耦合进光纤；所述的波导是针对本发明研制的光纤拉锥阵列；所述的光纤拉锥阵列包括依次连接的对准段Ⅰ、拉锥集束耦合段Ⅱ和拉锥重排段Ⅲ；所述的相位控制系统包括钛扩散铌酸锂集成光波导移相器。本发明使偏转角度更加精确可调，系统的稳定性也得到提高。

Description

一种方向可控激光器系统

技术领域

本发明涉及一种方向可控激光器系统，特别是一种全光纤新型组合式激光系统。此外，本系统可以实现基于光学相控阵激光技术的快速灵活的光束方向驱动，其驱动角度范围大，而且驱动角度连续。

背景技术

根据工业、军事等领域的需求，激光器未来的发展趋势是：高能量、高光束质量、高效率、灵活紧凑。然而，随着泵浦功率的增加，高功率的固体激光器存在热透镜效应、光纤激光器存在非线性效应和损伤阈值，因此其发展空间均存在一定极限。考虑到体积小、效率高、价格便宜的半导体阵列激光器的阵列单元可以扩展，有效提高激光器系统功率；光纤的传输模式好、损耗低。为此，预计新一代激光器的发展趋势是：半导体-全光纤组合式激光系统。目前激光束方向的驱动主要有两种方式。一种是传统的机械控制，其结构简单，但方向转变速度慢、不灵活；另一种是光学相位阵列控制，当光通过相移器时，相移器的每个阵列单元的相位被调制，从而实现某一特定方向的激光输出，为了避免不需要的栅瓣，需要阵列单元间距小于但是由于要考虑到各移相器电极边缘效应影响调制单元电中性、相邻单元电场互相影响、相邻光场干扰电场，再加上电极之间绝缘的要求和制造工艺的限制，阵列单元间距很难达到上述要求，从而使驱动角度的范围受到一定限制（在发明内容中将详述）。专利us20050201492-A1中，该相控阵激光系统采用LC做相移器、外差检波反馈实现相位控制，其输出功率高、工作稳定，但驱动角度准连续、角度驱动最大不超过45度。专利WO9924866-A中，ZHUY，ZHUR等人提出依据一定统计规律，使阵列单元不规则排列，这样可使部分阵列单元间距增加，由于单元不规则排列，使旁瓣转化为噪声从而突出主光束，此方法对加工工艺起到改善作用，但对光学相控阵技术的研究没有本质性的突破。此外，光学相控阵由于单元数目多，因此控制系统庞大，结构复杂，在辐射孔径几何尺寸和阵列单元数目一定时，为了减少控制线，TerryA.Dorschner等人提出将孔径阵列分成子阵列，并使子阵列相应阵列单元的控制线并联，实现“fine/coarse”光束驱动方法，但此方法光束驱动角度范围小、驱动角度不连续。根据以上分析，本发明将设计一种基于相控阵原理的新型光束驱动系统,以实现光束大角度且连续驱动。

发明内容

本发明据此提出一种半导体阵列激光器作光源、光纤拉锥阵列作波导的组合式激光系统，实现了激光光束方向驱动的功能。

为了获得大角度且连续驱动的激光束，本发明公开了一种相控阵激光器系统。由激光源、波导和耦合输出镜构成一种新型组合式激光器，通过自调节锁相，可以获得高光束质量、大孔径的高功率激光输出；在此基础上，使用相位控制系统，可以实现对光束方向的驱动控制。

本发明采用如下有技术方案：

一种方向可控激光器系统包括依次连接的激光源、波导、相位控制系统。

所述的激光源包括：半导体激光器阵列1，为本系统提供光源，其中每个发光单元镀增透膜；微透镜阵列2，将半导体激光器阵列1的发光单元发出的光整形并耦合进光纤。

半导体激光器阵列1主要由半导体激光器构成，而半导体激光器辐射出的激光分为快轴和慢轴，其中平行PN结的方向为慢轴方向，垂直PN结的方向为快轴方向，快、慢轴光束特性不同。其中快轴光束质量较好，但发散角较大，通常为30°～60°（全角）；而慢轴光束质量不好，发散角通常为10°～20°（全角）。为了在传输过程中，更有效的对光进行控制，采用微透镜阵列2（其结构分三个部分，即快轴准直、慢轴准直、聚焦）作为准直聚焦系统，半导体激光阵列1发出的激光束，经过微透镜阵列2，首先进行快轴准直和慢轴准直，然后聚焦，使光束质量均匀化，最后，经过处理后的激光束耦合进光纤拉锥阵列。

所述的波导是针对本发明研制的光纤拉锥阵列。由于光纤柔韧度好、易整合成各种阵列形式、传输损耗低、不改变光束性质（光束质量），因此选作光波导，并根据本发明原理进行特别加工处理（光纤拉锥）。所述的光纤拉锥阵列包括依次连接的对准段Ⅰ、拉锥集束耦合段Ⅱ和拉锥重排段Ⅲ。

对准段Ⅰ

以采用半导体阵列激光器一个bar条为例，其辐射单元排列为一维线阵，选用与半导体激光器阵列辐射单元数目相同的N根单模光纤。将光纤的一端排列成线形并固定在一个平板上，其间距与半导体阵列激光器bar条的辐射单元间距、微透镜阵列单元间距相等，以使光一对一的耦合进光纤阵列，此固定段定义为对准段Ⅰ；

拉锥集束耦合段Ⅱ

光纤的中间部分是此光纤拉锥阵列的关键，在制作中，首先需要去除每根光纤的涂敷层，之后将N根光纤紧密排列，采用熔融拉锥的方法，将密排的多根光纤沿纵向拉伸，在各光纤纤芯和包层体积不变的情况下使光纤直径减小，从而使两根光纤之间的距离减小，达到增强光纤内传导光的相互耦合效应的目的，根据两相邻波导之间的模式耦合理论，当两个介质波导靠得很近时，由于消逝场的作用，会发生两个波导之间的能量交换，一个模式的功率可以完全转移到另一个模式中，这种类型的耦合是由于波导表面几何形状或者折射率的周期性变化引起的。传播常数相等或者接近相等的模式间可以发生有效的耦合，两个波导越近，消逝场的场强越强，耦合现象也越明显，因此拉锥长度要以光在此段最佳相互作用耦合为依据。此段定义为拉锥集束耦合段Ⅱ。

拉锥重排段Ⅲ

将每根光纤的另一端分别拉锥到纳米量级，并且利用光纤柔韧性好的优点根据所需出射光束的形状，排成固定一维线形或二维面形，此固定段定义为拉锥重排段Ⅲ。此段作为激光器系统的出射端，光纤可重排成圆形排列、正四边形排列。对于尺寸相同的出射孔径，正四边形排列方式可以减少单元数目，从而适当减弱系统的复杂性；而圆形排列方式，由于单元数目相对多，因此输出功率较正四边形排列大。在实际应用中可以针对不同需要，选择不同的出射阵列。

拉锥重排段Ⅲ，是拉锥光纤阵列的关键之一，经过整形处理、耦合、相位调制后的各光束通过此段出射后，在空间相干合成为一束光。作为出射端，其拉锥精度和重排后单元间距影响着光驱动角度的范围。当辐射单元间距时，会在主光束(mainbeam)以外的其它方向同时出现辐射功率最大值，这些方向的波瓣成为栅瓣(gratinglobes)，而且单元间距越大，栅瓣越明显。栅瓣会使驱动角范围缩小，因此减小单元间距是扩大驱动角范围的可行途径。

进一步说明，(其中θ₀为主光束方向，θ_g为栅瓣方向，d为辐射单元间距，λ为辐射波长，n为任意整数)。当单元间距当主光束方向为θ₀=90°时，会在-90°方向产生栅瓣。例如，驱动主光束方向θ₀=±60°，为了避免栅瓣，单元间距d≤0.54λ。

所述的相位控制系统包括钛扩散铌酸锂(Ti_LiNbO₃)集成光波导移相器。所述相位控制系统可以精确控制每个单元的相位延迟。本发明的光束方向驱动功能是根据相控阵理论设计的。

光波在空间各点是逐步传播的，自点光源发出的波振面上的每一点可视为一个新的振源，由它们发出次级波，经过一段时间后，新的波振面为各次级波的包络面。现在以一维线阵为例，若各个辐射单元频率和初始相位都相等，各辐射单元产生的波相互干涉，光波传播方向垂直于线阵列。若改变辐射单元初始相位，使相邻单元相位差为经过一段时间，在θ方向上实现相同相位，各波前相干叠加，则光波沿特定角度θ传播。相控阵理论，就是将多个辐射单元排成阵列形式，各单元之间的相位关系是可以控制的，通过驱动辐射单元相位，可以获得任何所需角度的光。

在本发明中，采用钛扩散铌酸锂(Ti_LiNbO₃)集成光波导作相位控制器,在集成光波导上施加相应电压使得相邻单元产生固定相位差，从而获得沿某一特定方向输出的激光，实现对光束方向的控制。钛扩散铌酸锂(Ti_LiNBO3)集成光波导移相器是基于集成光学而设计的一种新型的集成相位调制器件，它具有体积小、半波电压低(≤6V)、稳定性好、控制精度高，响应速度快等优点，而且能够实现单模低损耗传输，控制相位连续变化，以及能与单模光纤很好的匹配。在本发明具体实施方式中，会具体说明移相方法。

对于目前现有的采用光学相控阵原理以驱动光束方向的各种方法，都是在光出射孔径处装置独立的相移器，当光通过相移器时，相移器的每个阵列单元的相位被调制，从而实现某一特定方向的激光输出。对此类光学相控阵，考虑到各相移器电极边缘效应影响调制单元电中性、相邻单元电场互相影响、相邻光场干扰电场，再加上电极之间绝缘的要求和制造工艺的限制，阵列单元间距不能达到的要求，依然存在“栅瓣”问题，而且无论采用一定统计规律使阵列单元不规则排列，还是引进“子阵列”概念以实现“fine/coarse”光束驱动，都会使光驱动角度的范围受到一定限制。

而本发明采用了一种全新的相控阵装置结构，使用钛扩散铌酸锂(Ti_LiNBO3)集成光波导作相位控制器、光波导为出射单元，这样，相位控制端和出射孔径端分离，可以使出射阵列单元间距缩小，从而起到抑制旁瓣和增大偏转角度的作用，而且，采用钛扩散铌酸锂(Ti_LiNBO3)集成光波导做相位控制器，使偏转角度更加精确可调，系统的稳定性也得到提高。

附图说明

图1：相控阵激光器系统装置图；

图2：新型组合式激光系统装置图；

图3：出射光束单元排列示意图；

图4:半导体激光器辐射光束示意图；

图5：相控阵原理图；

图6：钛扩散铌酸锂(Ti_LiNBO3)集成光波导移相器工作原理图；

图7：多段拉锥示意图；

图中：

①-激光源，②-半导体激光阵列激光器bar条1，③-微透镜阵列2，④-对准段I⑤-波导（光纤拉锥阵列3），⑥-拉锥集束耦合段II，⑦相位控制系统⑧相位控制器，⑨钛扩散铌酸锂(Ti_LiNBO3)集成光波导，⑩-拉锥重排段III-耦合输出镜4-半导体激光器，-快轴（60°～80°），-慢轴（10°～20°），-电极，-电压控制电路，-掺钛波导区，-LiNO₃基底

具体实施方式

图1是本发明的相控阵激光器系统装置图。本发明运用半导体阵列激光器做激光源，其转换效率高，体积小；光纤拉锥阵列做波导，其导光性能好、不改变光束性质，损耗低、柔韧性好；运用自调节锁相方式，研制出一种新型组合式激光器（如图2所示），而且在此基础上对每个波导单元进行相位控制，实现快速灵活的光束方向驱动。特别的，随着半导体激光器的发展以及更多波导器件的研制，本发明有很大的发展空间。

首先介绍针对本发明的光纤拉锥阵列的制作方法，光纤拉锥阵列由三部分组成：对准段Ⅰ、拉锥集束耦合段Ⅱ和拉锥重排段Ⅲ。

1.对准段Ⅰ

首先将光纤一端（定义为：对准段Ⅰ）分别去除涂覆层成为裸纤，再把其排列在V型槽底板上，并使裸纤间距等于半导体阵列激光器发光单元间距，之后盖上盖板（盖板形状可以是平板盖板、V型槽形盖板），再涂上固化胶固定光纤（对于二维半导体激光阵列，则需把固定好的光纤一层一层的叠放并固定在一起）。

2.拉锥集束耦合段Ⅱ

将光纤中间某一部分（定义为：拉锥集束耦合段Ⅱ）分别去除涂覆层，之后将光纤对准段Ⅰ一端固定，另一端采用步进电机牵引，由加热器对集束耦合段Ⅱ加热，当温度大于玻璃熔化温度而小于光纤解体温度时，启动步进电机进行拉锥。

3.拉锥重排段Ⅲ

如上述拉锥方法，将光纤另一端（定义为：拉锥重排段Ⅲ）的直径拉至纳米量级，其拉锥过程使用电子显微镜控制。之后将处理过的拉锥重排段Ⅲ排列成正四边形、圆形等二维面并用胶固定（如图3）。、

本发明采用的相位控制器为钛扩散铌酸锂(Ti_LiNBO3)集成光波导移相器。

如图6a所示，是一个两路的集成光波导移相器（基于此可扩展成N路集成光波导移相器），电极等间距的排列在波导区的两侧，且每路波导的长度相等，每个电极的长度也相等。为了获得较好的光束质量，将每一路波导都做成单模（基模）传输波导。图6b是其中一路波导的截面图，当在波导区两侧的电极上施加电压，在电场作用下，铌酸锂晶体发生双折射效应，其折射率变化的绝对值可表示为：

$\mathrm{\Δn}\≈\frac{1}{2}{n}_e^3{\mathrm{\γ}}_{33}E\≈\frac{1}{2}{n}_e^3{\mathrm{\γ}}_{33}\frac{V}{d}$

其中，n_e为e光折射率，γ₃₃为铌酸锂晶体的最大电光系数（为了利用此最大电光系数，应选用Y切铌酸锂晶体，如图6b所示，且保证TE模输入），d为电极间距，V为电极上所加电压。由此，我们可得到由于外场引入的导模相位变化为：

其中l为电极的长度（即有效作用区长度），可知导模相位变化与加在波导区两侧的电压具有线性关系。

基于以上原理可知，通过电压控制电路使相邻波导区加载不同的电压，就可获得不同的导模相位变化，这样当系统产生稳定的窄谱线高光束质量激光后，相邻的波导单元就可以产生固定的相位差，根据相控阵原理（如前所述），就可以获得高质量、特定方向的激光束。

本发明具体实施方式如图1所示。当泵浦注入电流超过阈值时，镀有增透模的半导体阵列激光器bar条1起振，辐射出中心波长为808nm的激光，由于半导体激光器特有的性质，将在垂直方向和水平方向表现出不同的性质，如图4所示，其中垂直于PN结的方向为快轴方向，发散角为60°至80°，平行于PN结的方向为慢轴方向，发散角为10°至20°，快轴方向光束质量好于慢轴方向，为了能更有效的控制光束，在bar条后安装微透镜阵列2，微透镜阵列单元与半导体阵列激光器发光单元一一对应，其可对半导体激光发出的光束分别进行快轴准直和慢轴准直，最后聚焦，使快轴和慢轴的光束质量均匀化。

微透镜阵列2对光束进行整形后，将每个辐射单元的光高效聚焦进波导部分——光纤拉锥阵列。此时的各路激光并不具有相同的频率和初始相位，所以并不相干，为了获得真正意义上的窄谱线高光束质量的激光，本发明采用自调节锁相方式，使各波导光纤中的光在拉锥集束耦合段Ⅱ相互耦合、相互作用，当光束返回到半导体阵列激光器bar条的每个辐射单元时，影响辐射单元性质，通过系统的自组织，最终实现锁相相干耦合。此外，为了增加耦合效果，在光纤出射端镀反射膜或进行多段拉锥（如图7所示）。

经过锁相相干耦合的N路光束沿光纤继续传播，最后耦合进N路集成光波导移相器中，通过电压控制，使相邻光束之间产生固定相位差，具有固定相位差的N路光束再耦合进拉锥重排段Ⅲ，形成出射阵列，由于各出射单元之间有相位差，根据相控阵理论（如图5所示），各光束经过耦合输出镜输出为一束偏离光轴方向的激光，这样，通过电压控制，可以获得不同偏转角度的激光。由于半导体阵列激光器的阵列单元的可扩展性，本发明系统可以形成高光束质量、大孔径的超高功率激光输出。

Claims (1)

1.一种方向可控激光器系统，其特征在于：包括依次连接的激光源、波导；

所述的激光源包括：半导体激光器阵列(1)，为本系统提供光源，其中每个发光单元镀增透膜；微透镜阵列(2)，将半导体激光器阵列(1)的发光单元发出的光整形并耦合进光纤；

所述的波导是光纤拉锥阵列；所述的光纤拉锥阵列包括依次连接的对准段Ⅰ、拉锥集束耦合段Ⅱ和拉锥重排段Ⅲ；

所述光纤拉锥阵列包括，

对准段Ⅰ

将辐射单元排列为一维线阵，选用与半导体激光器阵列辐射单元数目相同根数的单模光纤，将光纤的一端排列成线形并固定在一个平板上，间距与半导体阵列激光器bar条的辐射单元间距、微透镜阵列单元间距相等，以使光一对一的耦合进光纤阵列，此固定段定义为对准段Ⅰ；

拉锥集束耦合段Ⅱ

去除每根光纤的涂敷层，之后将N根光纤紧密排列，采用熔融拉锥的方法，将密排的光纤沿纵向拉伸，在各光纤纤芯和包层体积不变的情况下使光纤直径减小，从而使两根光纤之间的距离减小，达到增强光纤内传导光的相互耦合效应的目的；

拉锥重排段Ⅲ

将每根光纤的另一端分别拉锥到纳米量级，并且利用光纤柔韧性好的优点根据所需出射光束的形状，排成固定一维线形，此固定段定义为拉锥重排段Ⅲ，此段作为激光器系统的出射端，光纤可重排成圆形排列或正四边形排列；

所述方向可控激光器系统还包括相位控制系统；

所述相位控制系统包括钛扩散铌酸锂集成光波导移相器；经过锁相相干耦合的N路光束沿光纤继续传播，最后耦合进N路集成光波导移相器中，通过电压控制，使相邻光束之间产生固定相位差，具有固定相位差的N路光束再耦合进拉锥重排段Ⅲ，形成出射阵列。