WO2018046005A1 - 一种减小激光器系统自混合干涉效应的方法 - Google Patents

一种减小激光器系统自混合干涉效应的方法 Download PDF

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Abstract

一种减小激光器系统自混合干涉效应的方法，包括以下步骤：将直流偏置电路（2）和调制信号发生器（3）分别与激光器（1）的电极连接，直流偏置电路（2）用于驱动激光器（1），为激光器（1）提供泵浦用的载流子，激光器（1）内设有一谐振腔，谐振腔将泵浦用的载流子转化为光子，并且受激辐射，形成稳定的激光输出，直流偏置电路（2）和调制信号发生器（3）注入激光器（1），调制信号发生器（3）输出调制信号，调制信号和激光器（1）自身的寄生参数匹配，以改变激光器（1）谐振腔内光子的分布状态。该方法从空间上和时间上都减小了因为自混合干涉效应而带来的激光器（1）短时间内的功率波动，保证了整个激光器系统的稳定性，并且具有低成本、易组装调节、性能稳定等优点。

Description

一种减小激光器系统自混合干涉效应的方法 技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种减小激光器系统自混合干涉效应的方法。
背景技术
激光由于其具有的高亮度、高相干性和高准直性等特点，在工业、通信、医学、科学研究及社会生活等领域发挥了独特而至关重要的作用。但是在一些对激光器稳定性要求比较高的情况，因为外界发射激光或者激光器窗口、光束整形元件或者其他的部分构成的激光的发射，会耦合到激光器的谐振腔中，形成自混合干涉效应，较少的耦合反射光辉造成激光器的不稳定性能。如果耦合反射光较强，自混合干涉效应使得激光器自身谐振腔受到破坏，会直接影响激光器的使用寿命。
单模激光二极管(例如，一种运用二极管在发射波长方面的可调整性的DFB或VCSEL激光二极管)，很容易产生输出功率的极短时间内的功率的不稳定性，因为利用高浓度的载流子，所以载流子的浓度的起伏会影响有源区的折射率，谐振器的长度较短，并且还采用了低反射率的解理面(cleavage plane)，所述激光器振荡器部分容易受到外部反射光的影响。并且更进一步地，载流子起伏引起的有源区折射率的起伏，使得原来稳定的谐振腔处于非稳态或者因为激光器谐振作用没有达到稳定的状态，并且更进一步地增加了自然发射向振荡模的耦合，整个过程反复重复进行，增加了激光器本身输出的不稳定性，从而在应用过程中不能达到高灵敏度的检查或应用。
发明专利CN102195233A阐述了一种应用动态调节的方式降低自混合 干涉效应的方法，出了用于周期性改变光学元件相对于激光二极管的位置和排列的一种可电控的动力装置，从而使得壳中的激光束的光径长度周期性变化。光学元件的振荡运动具有对由壳中激光束的背反射导致的标准具效应和自混合效应进行时间平均的效果，由此降低激光二极管结构的光学噪声。该方法可以减小自混合干涉效应带来的激光器系统的输出光束的不稳定性，但是实施过程复杂，因为系统中有动态移动的元件，过程中容易造成系统因为动态元件的存在而带来的系统不稳定因素，且过程中为动态元件提供动力的驱动电路，同样也会造成系统的冗余和不确定性。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，依靠谐振腔内光子和载流子的关系，通过改变谐振腔内平衡，能够有效的控制自混合干涉效应带来的激光器系统输出光束的不稳定性，提出一种性能稳定、能量损失少，适用于高效稳定激光系统的一种减小激光器系统自混合干涉效应的方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种减小激光器系统自混合干涉效应的方法，包括以下步骤：S1：将直流偏置电路和调制信号发生器分别与激光器的电极连接，所述直流偏置电路用于驱动所述激光器，为所述激光器提供泵浦用的载流子，所述激光器内设有一谐振腔，所述谐振腔将泵浦用的载流子转化为光子，并且受激辐射，形成稳定的激光输出，所述直流偏置电路和所述调制信号发生器注入激光器，所述调制信号发生器输出调制信号，所述调制信号和激光器自身的寄生参数匹配，以改变激光器谐振腔内光子的分布状态；
激光器载流子和光子的关系方程为：
[根据细则26改正30.10.2017]　
Figure WO-DOC-FIGURE-1
S2：通过激光器谐振腔匹配的载流子的注入，影响激光器已经平衡的光子的分布的状态，让经过该状态后的光子再和外界反射光、激光器窗口或光学元件反射的激光相遇形成自混合干涉效应，提高激光器输出激光的稳定性。
优选地，所述寄生参数为寄生电容或寄生电阻，所述直流偏置电路和所述调制信号发生器注入到所述激光器中，所述调制信号和所述寄生电容、所述寄生电阻构成共振关系，体现在光学输出上为啁啾效应，谐振腔输出激光模式增加，微量返回光作用到所述激光器后，多个模式的自混合干涉效应对激光器的影响小于等量的单个模式或少数模式的自混合干涉效应对激光器的影响，所述激光器进而输出稳定的激光光束。
优选地，所述激光器沿光轴z方向放置，所述直流偏置电路和所述调制信号发生器与所述激光器间隙设置，所述激光器与所述直流偏置电路和所述调制信号发生器电性连接。
优选地，所述激光器的后面间隙设置有一用于引导激光光束和/或对激光光束整形的光学元件。
优选地，所述调制信号发生器可为数字信号发生器或模拟信号发生器。
优选地，所述光学元件为一种衍射光学元件。
本发明技术方案的优点主要体现在：从空间上和时间上都减小了因为自混合干涉效应而带来的激光器短时间内的功率波动，保证了整个激光器系统的稳定性；能够有效降低返回光对激光器稳定性的影响，进而有效的减小自混合干涉效应进而使得激光器本身的稳定性降低。该激光器系统结构简单，简便可行，在使用过程中能量损失少，可适用于高效稳定的激光器系统，且具有低成本、易组装调节、性能稳定等优点，可在产业中推广应用。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。其中：
图1是本实用新型实施例1激光器系统的结构示意图；
图2是本实用新型实施例2激光器系统的结构示意图；
图3是本实用新型直流偏置电路的电路结构示意图；
图4是本实用新型多量子阱激光器的交流等效电路示意图；
图5是本实用新型多量子阱激光器的等效电容和等效电阻参数对应图；
图6是未使用该实用新型激光器的相对光强分布图；
图7是本实用新型空间上激光器的相对光强分布图；
图8是未使用该实用新型的激光器结构原理图；
图9是本实用新型时间上激光器的结构原理图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范 围之内。
一种减小激光器系统自混合干涉效应的方法，包括以下步骤：
S1：将直流偏置电路和调制信号发生器分别与激光器的电极连接，所述直流偏置用于驱动激光器，为激光器提供泵浦用的载流子，所述激光器内设有一谐振腔，所述谐振腔将泵浦用的载流子转化为光子，并且受激辐射，形成稳定的激光输出，所述直流偏置电路和所述调制信号注入激光器，所述调制信号发生器输出调制信号，所述调制信号和激光器自身的寄生参数匹配，以改变激光器谐振腔内光子的分布状态；
激光器载流子和光子的关系方程为：
[根据细则26改正30.10.2017]　
Figure WO-DOC-FIGURE-2
S2：通过激光器谐振腔匹配的载流子的注入，影响激光器已经平衡的光子的分布的状态，让经过该状态后的光子再和外界反射光、激光器窗口或光学元件反射的激光相遇形成自混合干涉效应，提高激光器输出激光的稳定性。
所述寄生参数为寄生电容或寄生电阻，所述直流偏置电路和所述调制信号注入到激光器中，所述调制信号和所述寄生电容、所述寄生电阻构成共振关系，体现在光学输出上为啁啾效应，谐振腔输出激光模式增加，微量返回光作用到所述激光器后，多个模式的自混合干涉效应对激光器的影响 小于等量的单个模式或少数模式的自混合干涉效应对激光器的影响，所述激光器进而输出稳定的激光光束。
如图1所示，一种减小自混合干涉效应的激光器系统，包括一沿光轴z方向放置的激光器(Laser)1，还包括与所述激光器间隙设置的直流偏置电路2和调制信号发生器3。所述激光器1内设有一谐振腔，所述谐振腔将泵浦用的载流子转化为光子，并且受激辐射，形成稳定的激光输出。
所述激光器1与所述直流偏置电路2和所述调制信号发生器3电性连接，具体地，所述直流偏置电路2的输出端与激光器的电极连接，所述调制信号发生器3的输出端与激光器的电极连接。所述直流偏置电路2和所述调制信号发生器3相当于是载流子的提供源头，即能量的源头，载流子通过谐振腔转化为光子，光子受激辐射产生激光。
所述直流偏置电路2用于驱动所述激光器1，为所述激光器1提供泵浦用的载流子，所述直流偏置电路2和激光器的电学参数匹配，所述直流偏置电路2可为线性电源或稳定的开关电源，在本实施例中，所述直流偏置电路2优选为线性电源。所述调制信号发生器3将调制信号和激光器自身的寄生参数匹配，以改变激光器谐振腔内光子的分布状态，在本实施例中，所述寄生参数为寄生电容或寄生电阻。
如图3所示，所述直流偏置电路2为一低通直流回路，所述低通直流回路包括DC电源，所述DC电源的正极与激光器的阴极连接，所述DC电源的负极通过电感与激光器的阳极连接。在本技术方案中，所述直流偏置电路2为一电流恒定的恒流源，在低通直流回路中，等效电感主要由电感组成的低通滤波，对高频成分起到阻隔作用。如图3所示，所述调制信号发生器3为一高通交流回路，所述高通交流回路包括AC电源，所述AC电源的正极通过电容与激光器的阴极连接，所述高通直流回路主要由电容 及AC信号源内阻抗，PCB走线构成，形成高频通路，阻隔直流部分。在本技术方案中，所述调制信号发生器3可根据需要产生射频范围内的频率，信号经过电容，走线耦合到激光器里，这里的耦合是指交流耦合，直接调制，射频调制的频率范围从300KHz～300GHz之间，所述射频调制输出的波形近似正弦波形。
如图1所示，所述激光器系统还包括一与所述激光器1间隙设置的用于引导激光光束和/或对激光光束整形的光学元件4(DOE)；所述光学元件4为一种衍射光学元件。所述衍射光学元件4的材料可为熔融石英、光学玻璃或光学树脂材料，在本实施例中，所述衍射光学元件4的材料优选为光学树脂材料。之所以选用光学树脂材料是因为光学树脂具有以下优点：光学树脂不仅透明透光性好，在可见光区，光学树脂的透光率和玻璃相似，在红外光区，光学树脂的透光率比玻璃稍高，在紫外区，以0.4微米开始随波长的减小透光率降低，波长小于0.3微米的光几乎全部吸收；抗冲击能力强，光学树脂的冲击力是玻璃的好几倍，不易破碎，安全耐用。当然在工作过程中，也可选用光学玻璃，当在选用光学玻璃时，优选为德国SCHOTT肖特公司生产的BK7玻璃，相当于国内的K9玻璃，BK7玻璃的具体参数如下：折射率1.51680，耐酸性1，K氏硬度610。
所述衍射光学元件4由模压或刻蚀工艺制成，所述衍射光学元件4适用于对Nd:YAG、CO2、飞秒激光器、半导体激光器等各种激光器进行光束整形，所述衍射光学元件4的主要应用包括激光光束整形(如激光加工、医疗、成像系统、传感器，圆形或方形平顶光束整形，矩阵、栅格、线形、圆形图案整形)和用做天文学中的相位器件。
所述直流偏置电路2和所述调制信号发生器3注入激光器1，所述调制信号发生器2输出的调制信号与激光器自身的寄生参数构成共振关系，谐 振腔输出激光模式增加，影响激光器已经平衡的光子的分布的状态。所述调制信号部分要和激光器的自身参数相匹配，两者在匹配过程中可以让调制信号部分有效地注入激光器谐振腔中，对激光器谐振腔内的载流子和光子的平衡有一定的影响作用。
所述直流偏置电路2和所述调制信号发生器3注入激光器1后，上式激光器输出激光光束101，所述激光光束101经过衍射光学元件后输出激光光束102。
实施例1：如图1所示，反射光可以由外界耦合到所述激光器1中，也可以由光学元件耦合到所述激光器1中，具体为：在激光光束传输过程中，有一个外部反射激光501，光学元件的返回的激光502，激光器返回的激光503，在精密化的测试结构中过程的返回光都是不可避免的，本质上501，502，503都是一样的，都是返回的激光。本发明的主要目的是有效降低返回光对激光器稳定性的影响。经过该状态的光子再和外部反射激光501、光学元件的返回的激光502与激光器返回光503相遇产生自混合干涉效应，所述激光器1进而输出稳定的激光光束。
实施例2：如图2所示，反射光由外界耦合到所述激光器1中，具体为：在激光光束传输过程中，有一个外部反射激光501，在精密化的测试结构中过程的返回光都是不可避免的，本质上501是返回的激光。本发明的主要目的是有效降低返回光对激光器稳定性的影响。经过该状态的光子再和外部反射激光501相遇产生自混合干涉效应，所述激光器1进而输出稳定的激光光束。
在本实施例中，所述激光器1优选为多量子阱激光器，通过多层速率方程模型和小信号分析的方法，得到了光子密度、载流子俘获、逃逸和隧穿时间等关键参数对多量子阱激光器频率响应特性的影响。通过激光器的 寄生电参数及其寄生电路对其频率响应进行了分析，得到其寄生电路并发现其中寄生电容对调制宽度的影响较大，寄生电容与调制信号的电路匹配，可以提高信号的注入效率。
图4为多量子阱激光器的交流等效电路示意图；图5为多量子阱激光器的等效电容和等效电阻参数对应图；该多量子阱激光器载流子和光子的关系方程为：
[根据细则26改正30.10.2017]　
Figure WO-DOC-FIGURE-3
根据上式可知，光限制因子的增大会使微分增益随之增大，同时多量子阱激光器光子会有更大的弛豫振荡效率；如果调制信号的参数和多量子阱激光器弛豫振荡效率相关，过程中会影响激光器谐振腔内的模式的分布，可以稳定的产生更多个纵模的光的谐振状态。在该过程中因为外界反射光或者激光器窗口、光学元件等作用反射的激光耦合到激光器谐振腔中，自混合干涉效应会因为激光器纵模的增加而减弱或者是综合作用能力对原有的谐振腔的模式分布的干扰能力减弱，进一步地从空间上减小了自混合干涉效应对激光器稳定性的影响。
所述调制信号发生器可为数字信号发生器或模拟信号发生器，在本实施例中，所述调制信号发生器优选为数字信号发生器，所述数字信号发生器为和激光器参数匹配的数字信号调制。所述调制信号的叠加，会平均单 位探测时间内的外部反射的激光或者因为激光器窗口、衍射光学元件等作用的反射回的激光产生的自混合干涉效应的影响。由于调制信号的作用载流子和光子之间的转换的滞后和光学调制的啁啾效应，进一步从时间上减小了自混合干涉效应对激光器稳定性的影响。
图7是一种空间上减小自混合干涉效应的激光器的相对光强分布图，图6为未使用该发明的相对光强分布图；图7为使用该发明的相对光强分布图。从图7中可以看出所述直流偏置电路2和所述调制信号发生器3注入所述激光器1后，原来的激光器谐振腔的状态被破坏，谐振腔内载流子和光子的转换关系改变，谐振腔内的激光器输出的纵模的个数增加，体现到输出光谱有谱宽的现象，这样从空间上相似能量的返回光自混合到谐振腔中，对原来激射模式的光子的总体的影响效果与图6未使用该发明的实例相比有很大的改善。
图9是一种时间上减小自混合干涉效应的激光器结构原理图，图8为未使用该发明的实例，图9为使用该发明的实例。从图9中可以看出所述直流偏置电路2和所述调制信号发生器3注入所述激光器后，原来的激光器谐振腔的状态被破坏，谐振腔内载流子和光子的转换关系改变，载流子和光子的转换滞后效应和调制带来的啁啾效应，从时间维度上相似时间长度的返回光自混合到谐振腔中，对原来激射模式的光子的总体的影响效果与图7未使用该发明的实例相比有很大的改善。
自混合干涉效应对激光的产生是很坏的影响，会直接影响所述激光器1输出光束的稳定性，甚至严重的会影响所述激光器1的使用寿命。该系统从空间上和时间上都减小了因为自混合干涉效应而带来的激光器短时间内的功率波动，保证了整个激光器系统的稳定性。
该激光器系统结构简单，在使用过程中简便可行，依靠谐振腔光子和 载流子的关系，通过改变谐振腔内平衡，可有效的减小自混合干涉效应使得激光器本身的稳定性降低，且在使用过程中能量损失少，并且具有低成本、易组装调节、性能稳定等优点，可适用于高效稳定的激光系统；在使用过程中不会造成激光器系统的冗余和不确定性。
对本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

  1. 一种减小激光器系统自混合干涉效应的方法，其特征在于：包括以下步骤：
    S1：将直流偏置电路(2)和调制信号发生器(3)分别与激光器(1)的电极连接，所述直流偏置电路(2)用于驱动所述激光器(1)，为所述激光器(1)提供泵浦用的载流子，所述激光器(1)内设有一谐振腔，所述谐振腔将泵浦用的载流子转化为光子，并且受激辐射，形成稳定的激光输出，所述直流偏置电路(2)和所述调制信号发生器(3)注入激光器，所述调制信号发生器(3)输出调制信号，所述调制信号和激光器自身的寄生参数匹配，以改变激光器谐振腔内光子的分布状态；
    激光器载流子和光子的关系方程为：
    Figure PCTCN2017101190-appb-100001
    S2：通过激光器谐振腔匹配的载流子的注入，影响激光器已经平衡的光子的分布的状态，让经过该状态后的光子再和外界反射光、激光器窗口或光学元件反射的激光相遇形成自混合干涉效应，提高激光器输出激光的稳定性。
  2. 根据权利要求1所述的一种减小激光器系统自混合干涉效应的方法，其特征在于：所述寄生参数为寄生电容或寄生电阻，所述直流偏置电路(2) 和所述调制信号发生器(3)注入到所述激光器(1)中，所述调制信号和所述寄生电容、所述寄生电阻构成共振关系，体现在光学输出上为啁啾效应，谐振腔输出激光模式增加，微量返回光作用到所述激光器后，多个模式的自混合干涉效应对激光器的影响小于等量的单个模式或少数模式的自混合干涉效应对激光器的影响，所述激光器(1)进而输出稳定的激光光束。
  3. 根据权利要求1所述的一种减小激光器系统自混合干涉效应的方法，其特征在于：所述激光器(1)沿光轴z方向放置，所述直流偏置电路(2)和所述调制信号发生器(3)与所述激光器(1)间隙设置，所述激光器(1)与所述直流偏置电路(2)和所述调制信号发生器(3)电性连接。
  4. 根据权利要求1所述的一种减小激光器系统自混合干涉效应的方法，其特征在于：所述激光器(1)的后面间隙设置有一用于引导激光光束和/或对激光光束整形的光学元件(4)。
  5. 根据权利要求1或权利要求3所述的一种减小激光器系统自混合干涉效应的方法，其特征在于：所述调制信号发生器(3)可为数字信号发生器或模拟信号发生器。
  6. 根据权利要求4所述的一种减小激光器系统自混合干涉效应的方法，其特征在于：所述光学元件(4)为一种衍射光学元件。
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