CN113054525B - 一种红外激光相干合成装置及合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外激光相干合成装置及方法，包括输出镜和激光器，激光器的后表面与输出镜为互注入锁相腔的端镜，所有激光器按照中心对称环形排布；偏振分光棱镜用于实现非对称的两路激光器的能量互注入；偏振片用于保证激光器输出激光的偏振方向，同时用于实现两路对称激光器的能量互注入；半波片用于旋转激光的偏振方向，与偏振片配合使用改变互注入能量；旋转抛物面镜具有轴对称和中心对称，反射镜置于旋转抛物面镜的焦点处；反射镜将旋转抛物面镜反射的激光反射到其中心对称的位置。本发明具有结构简单易于实现、无需有源相位探测与校正、扩展性好、合成效率高等特点，使得更多路数、更高功率的中红外量子级联激光器相干合成成为可能。

Description

一种红外激光相干合成装置及合成方法

技术领域

本发明属于激光相干合成技术领域，具体涉及中红外量子级联激光相干合成领域，进一步涉及一种红外激光相干合成装置，特别涉及一种基于偏振分光互注入锁相的中红外量子级联激光相干合成装置。

背景技术

近年来，中红外激光在环境监测、空间通讯、痕量气体测量和光电对抗等领域发挥越来越重要的作用。特别是红外对抗领域，需要机载红外光源来致盲或干扰光电探测器，因此功率高、光束质量好、结构紧凑和可靠性高的中红外激光器是十分重要的光源。随着半导体激光技术的发展与进步，全固化、小型化的量子级联激光器的出现引起了中远红外波段激光技术的革命。然而，有源区严重的热累积限制了单个量子级联激光器的输出功率。一般来说，要获得高功率、高光束质量的中红外激光以满足光电对抗等应用的需求，需要采用光束合成技术。目前报道的基于外腔法和干涉仪结构的量子级联激光器相干合成的合成路数较少，输出功率一般小于1W，限制了其在红外对抗中的应用。因此，更多的合成路数和更强的功率扩展性是量子级联激光器相干合成亟需解决的问题。

发明内容

基于上述技术背景，本发明提供了解决上述问题的一种红外激光相干合成装置及方法，本发明是一种基于偏振分光互注入锁相的中红外量子级联激光相干合成装置及方法，该技术具有结构简单易于实现、无需有源相位探测与校正、扩展性好、合成效率高等特点，使得更多路数、更高功率的中红外量子级联激光器相干合成成为可能。

本发明通过下述技术方案实现：

一种红外激光相干合成装置，包括输出镜和2N台激光器，激光器的后表面与输出镜为互注入锁相腔的端镜，N为≥1的正整数，2N个激光器呈环形阵列分布，且所有激光器按照中心对称排布；还包括偏振分光棱镜、偏振片、半波片、旋转抛物面镜和反射镜；所述偏振分光棱镜用于实现非对称的两路激光器的能量互注入；所述偏振片用于保证激光器输出激光的偏振方向，同时用于实现两路对称激光器的能量互注入；所述半波片用于旋转激光的偏振方向，与偏振片配合使用改变互注入能量；所述旋转抛物面镜具有轴对称和中心对称，所述反射镜置于旋转抛物面镜的焦点处；反射镜将旋转抛物面镜反射的激光反射到其中心对称的位置。

进一步优选，所述激光器采用量子级联激光器，激光器的后表面镀有增反膜，前表面镀有增透膜。

进一步优选，所述激光器输出波长为3μm～300μm。

进一步优选，所述旋转抛物面镜轴对称二次曲面，旋转抛物面镜的几何旋转对称轴线就是它的光轴；与光轴平行的光束经过旋转抛物面镜反射后，反射光线通过焦点；反之，通过焦点的光线经过旋转抛物面镜反射后，反射光线与光轴平行。

一种红外激光相干合成方法，采用上述的一种红外激光相干合成装置，

中心对称排布的两组激光器发出的两路激光相干合成：通过对称排布的两组激光器中的任一个激光器发出激光，经偏振片、半波片、旋转抛物面镜和反射镜作用后被注入到中心对称排布的两组激光器中的另一个激光器内，注入的激光会对中心对称排布的两个激光器中的激光振荡产生影响，实现两路激光的相位锁定；

非中心对称排布的两组激光器发出的两路激光相干合成：通过非中性对称排布的两组激光器中的任一个激光器发出激光，经偏振分光棱镜被注入到非中心对称排布的两组激光器中的另一个激光器内，注入的激光会对非中心对称排布的两个激光器中的激光振荡产生影响，实现两路激光的相位锁定。

进一步优选，对称排布的两组激光器发出的两路激光相干合成路径包括以下步骤：

控制中心对称排布的两个激光器中的一个激光器发出的激光经过偏振片，透过偏振片的平行于光轴方向的P光经半波片旋转其振动方位角，通过旋转抛物面镜聚焦，经过置于旋转抛物面镜焦点处的反射镜，经反射镜反射后到达旋转抛物面镜中心对称位置，再次经过偏振片时，P光分量透过注入到中心对称排布的两个激光器中的另一个激光器内；S光分量被偏振片反射，经输出镜后部分输出，输出镜反射的光重复上述过程；依次类推，中心对称排布的两个激光器中的另一个激光器输出的激光经过偏振片、半波片、旋转抛物面镜和反射镜作用后，被注入到中心对称排布的两个激光器中的一个激光器内；注入的激光会对中心对称排布的两个激光器中的激光振荡产生影响，实现两路激光的相位锁定。

进一步优选，非对称排布的两组激光器发出的两路激光相干合成路径包括以下步骤：非对称排布的两组激光器发出的两路激光相干合成路径包括以下步骤：控制非中心对称排布的两个激光器中的一个激光器发出的激光经过偏振分光棱镜，透过偏振分光棱镜的平行于光轴方向的P光经半波片旋转其振动方位角，通过旋转抛物面镜聚焦，经过置于旋转抛物面镜焦点处的反射镜，经反射镜反射后到达旋转抛物面镜非中心对称位置，再次经过偏振片时，S光分量被偏振片反射，经输出镜后部分反射的光重复上述过程，返回至偏振分光棱后，S光分量被反射至非中心对称位置，再经偏振分光棱镜耦合入非中心对称位置的一个激光器；

依次类推，非中心对称排布的两个激光器中的另一个激光器输出的激光经过偏振分光棱镜、半波片、旋转抛物面镜和反射镜作用后，被注入到非中心对称排布的两个激光器中的一个激光器内；注入的激光会对非中心对称排布的两个激光器中的激光振荡产生影响，实现两路激光的相位锁定。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明实质上是一种基于偏振分光互注入锁相的中红外量子级联激光相干合成装置，采用内腔式偏振耦合输出，量子级联激光器的后表面与输出镜为互注入锁相腔的端镜。

本发明提供的合成装置中采用旋转抛物面镜作为路数扩展元件，旋转抛物面是轴对称二次曲面，旋转抛物面反射镜的几何旋转对称轴线就是它的光轴。与光轴平行的光束经过旋转抛物面反射镜反射后，反射光线必通过焦点；反之，通过焦点的光线经过旋转抛物面镜反射后，反射光线必与光轴平行。由于旋转抛物面镜具有轴对称和中心对称的特性，因此可以将旋转抛物面镜分成N个关于中心对称的区域，每一个区域对应一个激光器，如图2所示。

基于偏振分光实现互注入锁相的过程如下：激光器①发出的激光经过偏振片，透过的平行于光轴方向的P光经半波片旋转其振动方位角，通过旋转抛物面镜聚焦，经过置于旋转抛物面镜焦点处的反射镜，经反射镜反射后到达旋转抛物面镜中心对称位置，再次经过偏振片时，P光分量透过注入到激光器②中；S光分量被偏振片反射，经输出镜后部分输出，输出镜反射的光重复上述过程。同理，量子级联激光器②输出的激光经过偏振片和半波片，也被注入到量子级联激光器①中。注入的激光会对①和②中的激光振荡产生影响，最终实现两路激光的相位锁定，即实现这两路中红外激光相干合成。因此对称排布的N组激光可以通过上述方式实现相干合成。

对于非对称分布排布的的中红外量子级联激光器③，发射的激光其通过偏振分光棱镜与激光器②经过上述同样过程实现相干合成输出，即可以实现四路中红外量子级联激光器的相干合成。依据上述方法，通过偏振片实现中心对称分布的激光器相干合成，通过偏振分光棱镜实现非对称分布激光器的相干合成，进而实现整个阵列激光器的相干合成。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的红外激光相干合成装置结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：1-激光器，2-偏振分光棱镜，3-偏振片，4-半波片，5-旋转抛物面镜，6-反射镜，7-输出镜。

图2为本发明的激光器阵列排布示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：1-激光器①，2-激光器②，3-激光器③，4-激光器④，5-激光器⑤，6-激光器⑥，7-激光器⑦，8-激光器⑧。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提供了一种红外激光相干合成装置，是一种基于偏振分光互注入锁相的中红外量子级联激光相干合成装置采用内腔式偏振耦合输出，如图1所示，由偏振分光棱镜2、偏振片3、半波片4、旋转抛物面镜5、反射镜6、输出镜7和2N台激光器1组成，激光器1的后表面与输出镜7为互注入锁相腔的端镜，N为≥1的正整数；在互注入锁相腔内，沿光路传输方向上，依次设置偏振分光棱镜2、偏振片3、半波片4、旋转抛物面镜5和反射镜6。

每台激光器1采用量子级联激光器，激光器1的后表面镀有增反膜，前表面镀有增透膜。所述激光器1输出波长为3μm～300μm。

2N个激光器1呈环形阵列分布，且所有激光器1按照中心对称排布，如图2所示，激光器①、激光器②、激光器③、激光器④、激光器⑤、激光器⑥、激光器⑦、激光器⑧…所有激光器呈环形阵列排布，且互为中心对称排布；如，激光器①与激光器②互为一组中心对称排布，激光器③与激光器④互为一组中心对称排布，激光器⑤与激光器⑥互为一组中心对称排布，激光器⑦与激光器⑧互为一组中心对称排布，依次类推，共有N组互为中心对称排布的激光器。

偏振分光棱镜2用于实现非对称的两路激光器1的能量互注入；偏振片3用于保证激光器1输出激光的偏振方向，同时用于实现两路对称激光器1的能量互注入；非对称的两路激光器1输出的激光经过偏振分光棱镜2，对称的两路激光器1输出的激光经过偏振片3。

半波片4用于旋转激光的偏振方向，与偏振片3配合使用改变互注入能量；

旋转抛物面镜5具有轴对称和中心对称，旋转抛物面镜5具有轴对称和中心对称特性，可以扩展相干合成中红外量子级联激光器的路数，进而实现更高功率的输出。旋转抛物面镜5轴对称二次曲面，旋转抛物面镜5的几何旋转对称轴线就是它的光轴；与光轴平行的光束经过旋转抛物面镜5反射后，反射光线通过焦点；反之，通过焦点的光线经过旋转抛物面镜5反射后，反射光线与光轴平行。

反射镜6置于旋转抛物面镜5的焦点处；反射镜6将旋转抛物面镜5反射的激光反射到其中心对称的位置。

实施例2

本实施例提供了一种红外激光相干合成方法，采用实施例1提供的一种红外激光相干合成装置，具体合成路径如下所示：

(1)中心对称排布的两组激光器1发出的两路激光相干合成：通过对称排布的两组激光器1中的任一个激光器1发出激光，经偏振片3、半波片4、旋转抛物面镜5和反射镜6作用后被注入到中心对称排布的两组激光器1中的另一个激光器1内，注入的激光会对中心对称排布的两个激光器1中的激光振荡产生影响，实现两路激光的相位锁定；

对称排布的两组激光器1发出的两路激光相干合成路径具体如下所示：

控制中心对称排布的两个激光器1中的一个激光器1发出的激光经过偏振片3，透过偏振片3的平行于光轴方向的P光经半波片4旋转其振动方位角，通过旋转抛物面镜5聚焦，经过置于旋转抛物面镜5焦点处的反射镜6，经反射镜6反射后到达旋转抛物面镜5中心对称位置，再次经过偏振片3时，P光分量透过注入到中心对称排布的两个激光器1中的另一个激光器1内；S光分量被偏振片3反射，经输出镜7后部分输出，输出镜7反射的光重复上述过程；

依次类推，中心对称排布的两个激光器1中的另一个激光器1输出的激光经过偏振片3、半波片4、旋转抛物面镜5和反射镜6作用后，被注入到中心对称排布的两个激光器1中的一个激光器1内；

注入的激光会对中心对称排布的两个激光器1中的激光振荡产生影响，实现两路激光的相位锁定。

(2)非中心对称排布的两组激光器1发出的两路激光相干合成：通过非中性对称排布的两组激光器1中的任一个激光器1发出激光，经偏振分光棱镜2、半波片4、旋转抛物面镜5和反射镜6作用后被注入到非中心对称排布的两组激光器1中的另一个激光器1内，注入的激光会对非中心对称排布的两个激光器1中的激光振荡产生影响，实现两路激光的相位锁定。

非对称排布的两组激光器1发出的两路激光相干合成路径具体如下所示：

非中心对称排布的两组激光器1发出的两路激光相干合成路径包括以下步骤：控制非中心对称排布的两个激光器1中的一个激光器1发出的激光经过偏振分光棱镜2，透过偏振分光棱镜2的平行于光轴方向的P光经半波片4旋转其振动方位角，通过旋转抛物面镜5聚焦，经过置于旋转抛物面镜5焦点处的反射镜6，经反射镜6反射后到达旋转抛物面镜5中心对称位置，再次经过偏振片3时，S光分量被偏振片3反射，经输出镜7后部分反射的光重复上述过程，返回至偏振分光棱镜2后，S光分量被反射至非中心对称位置，再经偏振分光棱镜2耦合入非中心对称位置的一个激光器1。

依次类推，非中心对称排布的两个激光器1中的另一个激光器1输出的激光经过偏振分光棱镜2、半波片4、旋转抛物面镜5和反射镜6作用后，被注入到非中心对称排布的两个激光器1中的一个激光器1内；

注入的激光会对非中心对称排布的两个激光器1中的激光振荡产生影响，实现两路激光的相位锁定。

依据上述方法，通过偏振片实现中心对称分布的激光器相干合成，通过偏振分光棱镜实现非对称分布激光器的相干合成，进而实现整个阵列激光器的相干合成。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种红外激光相干合成装置，包括输出镜(7)和2N台激光器(1)，激光器(1)的后表面与输出镜(7)为互注入锁相腔的端镜，N为≥1的正整数，其特征在于，

2N个激光器(1)呈环形阵列分布，且所有激光器(1)按照中心对称排布；

还包括偏振分光棱镜(2)、偏振片(3)、半波片(4)、旋转抛物面镜(5)和反射镜(6)；

所述偏振分光棱镜(2)用于实现非对称的两路激光器(1)的能量互注入；

所述偏振片(3)用于保证激光器(1)输出激光的偏振方向，同时用于实现两路对称激光器(1)的能量互注入；

所述半波片(4)用于旋转激光的偏振方向，与偏振片(3)配合使用改变互注入能量；

所述旋转抛物面镜(5)具有轴对称和中心对称，

所述反射镜(6)置于旋转抛物面镜(5)的焦点处；反射镜(6)将旋转抛物面镜(5)反射的激光反射到其中心对称的位置；

对称排布的两组激光器(1)发出的两路激光相干合成路径具体如下所示：

控制中心对称排布的两个激光器(1)中的一个激光器(1)发出的激光经过偏振片(3)，透过偏振片(3)的平行于光轴方向的P光经半波片(4)旋转其振动方位角，通过旋转抛物面镜(5)聚焦，经过置于旋转抛物面镜(5)焦点处的反射镜(6)，经反射镜(6)反射后到达旋转抛物面镜(5)中心对称位置，再次经过偏振片(3)时，P光分量透过注入到中心对称排布的两个激光器(1)中的另一个激光器(1)内；S光分量被偏振片(3)反射，经输出镜(7)后部分输出，输出镜(7)反射的光重复上述过程；

依次类推，中心对称排布的两个激光器(1)中的另一个激光器(1)输出的激光经过偏振片(3)、半波片(4)、旋转抛物面镜(5)和反射镜(6)作用后，被注入到中心对称排布的两个激光器(1)中的一个激光器(1)内；

注入的激光会对中心对称排布的两个激光器(1)中的激光振荡产生影响，实现两路激光的相位锁定；

非中心对称排布的两组激光器(1)发出的两路激光相干合成路径包括以下步骤：控制非中心对称排布的两个激光器(1)中的一个激光器(1)发出的激光经过偏振分光棱镜(2)，透过偏振分光棱镜(2)的平行于光轴方向的P光经半波片(4)旋转其振动方位角，通过旋转抛物面镜(5)聚焦，经过置于旋转抛物面镜(5)焦点处的反射镜(6)，经反射镜(6)反射后到达旋转抛物面镜(5)中心对称位置，再次经过偏振片(3)时，S光分量被偏振片(3)反射，经输出镜(7)后部分反射的光重复上述过程，返回至偏振分光棱镜(2)后，S光分量被反射至非中心对称位置，再经偏振分光棱镜(2)耦合入非中心对称位置的一个激光器(1)；

依次类推，非中心对称排布的两个激光器(1)中的另一个激光器(1)输出的激光经过偏振分光棱镜(2)、半波片(4)、旋转抛物面镜(5)和反射镜(6)作用后，被注入到非中心对称排布的两个激光器(1)中的一个激光器(1)内；

注入的激光会对非中心对称排布的两个激光器(1)中的激光振荡产生影响，实现两路激光的相位锁定。

2.根据权利要求1所述的一种红外激光相干合成装置，其特征在于，所述激光器(1)采用量子级联激光器，激光器(1)的后表面镀有增反膜，前表面镀有增透膜。

3.根据权利要求1所述的一种红外激光相干合成装置，其特征在于，所述激光器(1)输出波长为3μm～300μm。

4.根据权利要求1所述的一种红外激光相干合成装置，其特征在于，所述旋转抛物面镜(5)轴对称二次曲面，旋转抛物面镜(5)的几何旋转对称轴线就是它的光轴；与光轴平行的光束经过旋转抛物面镜(5)反射后，反射光线通过焦点；反之，通过焦点的光线经过旋转抛物面镜(5)反射后，反射光线与光轴平行。

5.一种红外激光相干合成方法，采用权利要求1至4任一项所述的一种红外激光相干合成装置，其特征在于，

中心对称排布的两组激光器(1)发出的两路激光相干合成：通过对称排布的两组激光器(1)中的任一个激光器(1)发出激光，经偏振片(3)、半波片(4)、旋转抛物面镜(5)和反射镜(6)作用后被注入到中心对称排布的两组激光器(1)中的另一个激光器(1)内，注入的激光会对中心对称排布的两个激光器(1)中的激光振荡产生影响，实现两路激光的相位锁定；

非中心对称排布的两组激光器(1)发出的两路激光相干合成：通过非中性对称排布的两组激光器(1)中的任一个激光器(1)发出激光，经偏振分光棱镜(2)、半波片(4)、旋转抛物面镜(5)和反射镜(6)作用后被注入到非中心对称排布的两组激光器(1)中的另一个激光器(1)内，注入的激光会对非中心对称排布的两个激光器(1)中的激光振荡产生影响，实现两路激光的相位锁定。

6.根据权利要求5所述的一种红外激光相干合成方法，其特征在于，

对称排布的两组激光器(1)发出的两路激光相干合成路径包括以下步骤：

控制中心对称排布的两个激光器(1)中的一个激光器(1)发出的激光经过偏振片(3)，透过偏振片(3)的平行于光轴方向的P光经半波片(4)旋转其振动方位角，通过旋转抛物面镜(5)聚焦，经过置于旋转抛物面镜(5)焦点处的反射镜(6)，经反射镜(6)反射后到达旋转抛物面镜(5)中心对称位置，再次经过偏振片(3)时，P光分量透过注入到中心对称排布的两个激光器(1)中的另一个激光器(1)内；S光分量被偏振片(3)反射，经输出镜(7)后部分输出；

依次类推，中心对称排布的两个激光器(1)中的另一个激光器(1)输出的激光经过偏振片(3)、半波片(4)、旋转抛物面镜(5)和反射镜(6)作用后，被注入到中心对称排布的两个激光器(1)中的一个激光器(1)内；

注入的激光会对中心对称排布的两个激光器(1)中的激光振荡产生影响，实现两路激光的相位锁定。

7.根据权利要求5所述的一种红外激光相干合成方法，其特征在于，非对称排布的两组激光器(1)发出的两路激光相干合成路径包括以下步骤：

非对称排布的两组激光器(1)发出的两路激光相干合成路径包括以下步骤：

控制非中心对称排布的两个激光器(1)中的一个激光器(1)发出的激光经过偏振分光棱镜(2)，透过偏振分光棱镜(2)的平行于光轴方向的P光经半波片(4)旋转其振动方位角，通过旋转抛物面镜(5)聚焦，经过置于旋转抛物面镜(5)焦点处的反射镜(6)，经反射镜(6)反射后到达旋转抛物面镜(5)中心对称位置，再次经过偏振片(3)时，S光分量被偏振片(3)反射，经输出镜(7)后部分反射的光重复上述过程，返回至偏振分光棱镜(2)后，S光分量被反射至非中心对称位置，再经偏振分光棱镜(2)耦合入非中心对称位置的一个激光器(1)；

依次类推，非中心对称排布的两个激光器(1)中的另一个激光器(1)输出的激光经过偏振分光棱镜(2)、半波片(4)、旋转抛物面镜(5)和反射镜(6)作用后，被注入到非中心对称排布的两个激光器(1)中的一个激光器(1)内；

注入的激光会对非中心对称排布的两个激光器(1)中的激光振荡产生影响，实现两路激光的相位锁定。

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