CN1442932A

CN1442932A - 利用垂直腔面发射半导体激光器制作相控阵激光装置

Info

Publication number: CN1442932A
Application number: CN 02104119
Authority: CN
Inventors: 许祖彦; 崔大复; 姚爱云; 林学春; 李瑞宁
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2002-03-06
Filing date: 2002-03-06
Publication date: 2003-09-17
Anticipated expiration: 2022-03-06
Also published as: CN1226815C

Abstract

本发明涉及一种利用垂直腔面发射半导体激光器制作的相控阵激光装置，包括：计算机、总电源、种子激光器、移相器和由n个面发射半导体激光器组成的激光阵列；移相器安置在种子激光器光路前方，每个移相器前方对应安置激光阵列中的一个垂直腔面发射半导体激光器；其中总电源分别与每个垂直腔面发射半导体激光器电连接，总电源分别与计算机、种子激光器、移相器电连接。该阵列发射的激光束的方向由移相器控制，通过控制阵列中各个激光器单元的相位，使光束相干叠加，得到所需的光束指向，和在一定空域中按预定方案进行扫描。移相器由计算机控制。在扫描过程中激光器阵列保持固定，即激光器本身不需要作机械运动。

Description

利用垂直腔面发射半导体激光器制作相控阵激光装置

技术领域

本发明涉及一种激光装置，特别是涉及一种利用垂直腔面发射半导体激光器制作的相控阵激光装置。

背景技术

传统的半导体激光器往往采用端面发射工作方式，其输出的激光束发散度大，光束不对称，且为多模运转，由它们构成的列阵元发射的光波缺乏相干性，如参考文献〔1〕：G.P.Agarwal and N.Dutta K.，Semiconductor laser，2nd ed.Van Nostrand Reinhold，New York 1993，P530。因此，该种端面发射半导体激光器不宜于制作相控阵激光装置。最近，由于垂直腔面发射半导体激光器的发展，使得大功率相控阵激光装置成为可能。垂直腔面发射半导体激光器可以单纵模运转，相干性好，光束具有良好对称性，能够紧密聚焦，易于单片集成〔文献2：R.P.Stanley，R.Houdre，U.Oesterle，M.llegems，C.Weisbuch，Coupled semiconductor microcavities，Appl.Phys.Lett.65，2093，1994)。而且可以通过选择激光材料和利用能带工程适当剪裁，按需要设计激光输出波长，从可见光直至中红外波段。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种利用垂直腔面发射半导体激光器制作的相控阵激光装置，其阵列激光束的发射方向由移相器控制，并能在空间扫描的，多光束相干叠加后的激光束的方向性好，亮度高。本发明的目的之二是提供一种激光波长可根据需要从可见光至中红外波段范围内选择，为在军事，科研，光通讯，天文，气象，环保等领域应用的相控阵激光装置。

本发明的目的是这样实现的：本发明提供一种利用垂直腔面发射半导体激光器制作的相控阵激光装置，包括：激光器、控制用的计算机和总电源；其特征是：还包括种子激光器、移相器和由n个垂直腔面发射半导体激光器组成的激光阵列；移相器安置在种子激光器光路前方，每个移相器前方对应安置一个激光阵列中的一个垂直腔面发射半导体激光器；其中总电源分别与每个垂直腔面发射半导体激光器电连接，总电源另外的输出端口分别与计算机、种子激光器、移相器相连接。

所述的半导体激光器是垂直腔面发射半导体激光器，半导体激光器的激活区采用超晶格，量子阱或量子点结构。该激光器可以是双耦合腔，或外腔镜结构。所述的外腔镜结构，可在半导体激光器芯片与外腔境之间插入光学非线性晶体，能调谐激光输出波长。

所述的半导体激光器波长从可见光至中红外波段，可以通过选择半导体激光材料和利用能带工程，按需要剪裁设计。

所述的半导体激光器阵列，可以是1×M一维线阵列，M×N二维面阵列，也可以是环状圆形面阵列；其中M和N分别是大于1的正整数。

所述的种子激光器，与激光器阵列所用半导体激光器的材料、结构及性能相同，为单一垂直腔面发射单纵模半导体激光器。

所述的激光材料包括：铟化镓(GaIn)，铟化砷(AsIn)，磷化铟(InP)，锡化铟(InSb)，铟镓砷(InGaAs)，铟铝砷(InAlAs)，铟钙磷(InCaP)，铟镓氮(InGaN)，铟镓砷氮(InGaAsN)，铟镓砷氮锡(InGaAsNSb)，铝镓砷(AlGaAs)，铝镓铟磷(AlGaInP)，砷化镓(GaAs)，锡化铝(AlSb)，氮化镓(GaN)等。

所述的移相器是光学移相器，包括用以下电光材料制作，如：KDP，KD^*P，LiNbO₃，KtaNbO₃，C₆H₅NO₂，GaAs，Gap，CdTe等。

激光阵列所包含的各垂直腔面发射半导体激光器均以相同的单纵模运转，激光具有良好的相干性，相干叠加后的激光束方向性好，亮度高。阵列中各激光器的基准相位由同一个单纵模种子激光器提供。该阵列发射的激光束的方向通过计算机由移相器控制。计算机根据外部指令计算出每个移相器的相位，使激光器阵列中各个激光器单元具有所需的相移，以便形成指定方向上的激光束。调节相位，就能够改变激光束指向，使光束能在一定空域中按预定规律进行扫描。

本发明的优越性：

利用垂直腔面发射半导体激光器制作的相控阵激光装置，其激光器能单纵模运转，光束具有良好对称性，相干性好。对n元激光列阵，它们的光束相干叠加增强，在特定方向上的光强正比于n²，而不是简单的n个光强相加。因此，多光束相干叠加后的激光束方向性好，亮度高。该激光列阵易于大规模单片集成，体积小。而且，通过选择半导体激光材料和利用能带工程，可以按需要剪裁设计激光输出波长，从可见光直至中红外波段。激光器阵列可直接用电泵浦，全固化，效率高，寿命长，可在连续波或脉冲波状态运转。激光阵列发射的激光束的方向通过计算机由移相器精确控制，使光束能在一定空域中按预定方案进行扫描。在扫描过程中激光器阵列保持固定，即激光器本身不需要作机械运动，使得该相控阵激光设备的总体结构简单紧凑，响应速度快，使用方便灵活。因此，该相控阵激光装置具有结构紧凑，全固化，体积小，效率高，寿命长，自适应能力强等优点，便于车载，机载或舰载，可广泛用于军事，科研，光通讯，天文，气象，环保等领域。

附图说明图1是本发明的相控阵激光装置的方框图。图2是本发明相控阵激光装置中组成激光阵列的具有直接外延双耦合腔激光器(阵列元)的结构图。图3是本发明装置中的第二种激光器(阵列元)的结构图。图4是本发明装置中的第三种激光器(阵列元)实施例结构图图5是本发明装置中的激光器(阵列元)另一实施例结构图

图面说明如下：

1、激光器阵列； 2、移相器； 3、种子激光器；

4、计算机； 5、总电源； 6、光阑；

7、上反射器； 8、量子阱A； 9、中间反射器；

10、量子阱B； 11、下反射器； 12、衬底；

13、外输出腔镜； 14、量子阱； 15、内反射腔镜；

16、光学非线性晶体； 17、微透镜。

18、半导体激光器

具体实施方式

实施例1

按照图1制作一台波长为800-1000nm近红外相控阵激光装置，组成阵列1的半导体激光器是耦合腔面发射InGaAs/GaAs量子阱激光器18(图2)。其中，12为衬底，11为下反射器，10为量子阱B，9为中间反射器，8为量子阱A，7为上反射器，6为光阑，利用导带与价带间跃迁机制，可使各个激光器18均发射相同的单纵模近红外激光。在量子阱材料生长过程中，适当地调节量子阱的垒高和阱宽，则InGaAs/GaAs量子阱激光器的输出波长可在800-1000nm范围内选择。阵列为100×100二维面阵。种子激光器3是单一垂直腔面发射InGaAs/GaAs量子阱激光器，其结构和性能，与组成阵列的激光器完全相同。激光器电源5以连续泵浦方式工作。移相器2是通常的光学移相器，由一块KD^*P光电晶体制作。移相器2安置在种子激光器3光路前方，每个移相器2前方对应安置激光阵列中的一个垂直腔面发射半导体激光器18；其中总电源5分别与每个垂直腔面发射半导体激光器18电连接，总电源5另外的输出端口分别与计算机4、种子激光器3、移相器2电连接。

将外部指令输入到控制计算机4，产生光束驻留指令，包括方位角，发射时间等参数，由控制计算机4根据光束驻留指令计算出每个移相器2的相位，使激光器阵列1中各个激光器单元具有所需的的相移，以便形成指定方向上的激光束。改变相位，就能够改变激光束指向，使光束在一定空域中按预定方案进行扫描。

实施例2

按照图1和图3制作一台1.3μm近红外相控阵激光装置，阵列为100×100二维面阵。该装置中的激光阵列由100×100个垂直腔面发射的半导体激光器18组成，该半导体激光器18为外腔式面发射InGaAsN/GaAs量子阱激光器，如图3所示，图中13为外输出腔镜，14为量子阱，15为内反射腔镜，利用导带与价带间跃迁机制，各激光器18均发射1.3μm单纵模近红外激光。种子激光器3是单一垂直腔面发射InGaAsN/GaAs量子阱激光器，其结构和性能，与构成阵列中的激光器18完全相同。总电源5以连续泵浦方式工作。移相器2由一块LiNbO₃制作。在阵列的激光腔内插入光学非线性晶体16(图4)，该相控阵激光装置能转换激光的工作波长。其它结构与实施例1相同。

实施例3

按照图1制作一台中红外相控阵激光装置，其结构同实施例1。在该装置中组成阵列的垂直腔面发射半导体激光器18采用In_0.52Al_0.48As/In_0.53Ga_0.47As量子阱结构(如图2所示)。利用子带跃迁和级联隧穿机制，使各激光器18均发射相同波长9.3μm的单模中红外激光。阵列为100×100二维面阵。种子激光器3是单一垂直腔面发射In_0.52Al_0.48As/In_0.53Ga_0.47As量子级联激光器，其结构和性能，与组成阵列的激光器18完全相同。移相器12是另一块CdTe光电晶体制作。总电源5以脉冲泵浦方式工作，脉宽25ns，每个激光器18的峰值功率为1千瓦，则100×100面阵列可获得兆级瓦输出功率。其它结构与实施例1相同。

实施例4

按照图1制作一台兰光相控阵激光装置，其结构同实施例1。在该装置中组成阵列的半导体激光器18为具有微透镜17的垂直腔面发射InGaN/GaN量子阱激光器(图5)。利用导带与价带间跃迁机制，可使各个激光器均发射相同的单纵模兰色激光。阵列为100×100二维面阵。种子激光器3是单一垂直腔面发射InGaN/GaN量子阱激光器，其结构和性能，与构成阵列的激光器完全相同。移相器2由KDP光电晶体制作。激光器18以连续方式工作。

Claims

1.一种相控阵半导体激光装置，包括：激光器、控制计算机和总电源；其特征是：还包括种子激光器、移相器和由n个垂直腔面发射半导体激光器组成的激光阵列；移相器安置在种子激光器光路前方，每个移相器前方对应安置激光阵列中的一个垂直腔面发射半导体激光器；其中总电源分别与每个垂直腔面发射半导体激光器电连接，总电源分别与计算机、种子激光器、移相器电连接。

2.按权利要求1所述的相控阵半导体激光装置，其特征是：所述的激光阵列中的垂直腔面发射半导体激光器为单纵模半导体激光器。

3.按权利要求1所述的相控阵半导体激光装置，其特征是：所述的垂直腔面发射半导体激光器包括直接外延的耦合腔，或外腔镜结构。

4.按权利要求1所述的相控阵半导体激光装置，其特征是：所述的垂直腔面发射半导体激光器的激活区采用超晶格、量子阱或量子点结构。

5.按权利要求3所述的相控阵半导体激光装置，其特征是：所述的外腔镜结构，可在半导体激光器芯片与外腔镜之间插人光学非线性晶体。

6.按权利要求1所述的相控阵半导体激光装置，其特征是：所

6.按权利要求1所述的利用垂直腔面发射半导体激光器制作的相控阵激光装置，其特征是：所述的半导体激光器的激光波长，包括可见光直至中红外波段。

7.按权利要求1所述的利用垂直腔面发射半导体激光器制作的相控阵激光装置，其特征是：所述的半导体激光器阵列包括1×M一维线阵列，M×N二维面阵列，或是环状圆形面阵列，其中M和N分别是大于1的正整数。

8.按权利要求1所述的利用垂直腔面发射半导体激光器制作的相控阵激光装置，其特征是：所述的种子激光器与激光器阵列所用半导体激光器的材料、结构及性能相同。

9.按权利要求1所述的利用垂直腔面发射半导体激光器制作的相控阵激光装置，其特征是：所述的垂直腔面发射半导体激光器的激光材料包括：铟化镓，铟化砷，磷化铟，锡化铟，铟镓砷，铟铝砷，铟钙磷，铟镓氮，铟镓砷氮，铟镓砷氮锡，铝镓砷，铝镓铟磷，砷化镓，锡化铝，氮化镓。