專利名稱：一種分離式超大功率半導(dǎo)體列陣外腔形變補(bǔ)償量半量獲取技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于服務(wù)于超大功率半導(dǎo)體列陣選擇同相模運(yùn)行的穩(wěn)定性控制的外腔形變補(bǔ)償量獲取技術(shù)，涉及超大功率半導(dǎo)體列陣外腔鎖相，涉及通過(guò)偏轉(zhuǎn)適配角度的外腔鏡使列陣選擇同相模震蕩后，對(duì)殘余熱效應(yīng)等引起外腔形變的測(cè)量，涉及補(bǔ)償列陣外腔形變補(bǔ)償量獲取，涉及避免外腔形變導(dǎo)致非同相模起振。

背景技術(shù)：
半導(dǎo)體列陣量子效率高，輸出波長(zhǎng)范圍涵蓋570nm至1600nm，工作壽命可達(dá)數(shù)百萬(wàn)小時(shí)，疊層列陣可提供超高功率激光輸出，在諸如工業(yè)、醫(yī)學(xué)等很多領(lǐng)域具有非常廣闊和良好的應(yīng)用前景，但是由于自由運(yùn)行的半導(dǎo)體列陣各個(gè)發(fā)光單元發(fā)出的光是不相干的，其輸出質(zhì)量較差，特別是慢軸多模輸出的發(fā)散角大、光譜寬，在干擾、色散、方向性等方面特性極差，既無(wú)法通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)聚焦到小尺寸，又無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，嚴(yán)重阻礙了其在機(jī)械加工、表面處理、高功率密度泵浦、空間高速光通信等領(lǐng)域中獲得有效應(yīng)用。因而，采取空間鎖相措施使得各個(gè)單元運(yùn)行于相同的波長(zhǎng)并使得它們之間具有固定的相位差，就變得至關(guān)重要。
實(shí)現(xiàn)各個(gè)單元相干運(yùn)行方法包括內(nèi)部耦合和外部耦合。內(nèi)部耦合通過(guò)控制折射率、增益區(qū)分布、構(gòu)造適當(dāng)?shù)挠性磳印⒁r底和覆蓋層等措施來(lái)使位相得到鎖定，但是此種機(jī)制相應(yīng)的發(fā)光單元寬度大大限制了半導(dǎo)體列陣能夠輸出的功率，另外，其相應(yīng)的系統(tǒng)不穩(wěn)定性會(huì)隨著發(fā)光單元的增多和驅(qū)動(dòng)電流的增大而增大。外部耦合通過(guò)在半導(dǎo)體列陣外部采用位相共軛鏡反饋?zhàn)⑷腈i定技術(shù)、主從激光器注入鎖定技術(shù)、外腔鏡技術(shù)實(shí)現(xiàn)鎖相輸出。
對(duì)于相鄰發(fā)光單元距離達(dá)數(shù)百微米的大功率半導(dǎo)體列陣，特別適宜采用基于模式耦合理論和Talbot腔理論的外腔耦合鎖相，相應(yīng)功率耦合主要發(fā)生在緊鄰單元之間，非相鄰單元耦合可以忽略不計(jì)，相應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而功效良好。
利用工作中心波長(zhǎng)為λ，慢軸列陣周期為d，腔長(zhǎng)為L(zhǎng)C＝d2/2λ，外腔鏡法線方向垂直于慢軸的1/4Talbot外腔鏡技術(shù)能夠成功地鎖定大功率半導(dǎo)體列陣相位，但相應(yīng)遠(yuǎn)場(chǎng)分布為雙瓣結(jié)構(gòu)，標(biāo)明相應(yīng)震蕩模式為異相模；按照分?jǐn)?shù)Talbot腔場(chǎng)分布規(guī)律，為使系統(tǒng)震蕩于同相模，以得到遠(yuǎn)場(chǎng)分布為單瓣結(jié)構(gòu)、接近衍射極限的極佳輸出，必須將此1/4Talbot外腔鏡在慢軸方向適當(dāng)?shù)仄D(zhuǎn)一定角度，這是二維半導(dǎo)體疊層列陣采用外腔技術(shù)選擇同相模震蕩的方式，已成功地獲得工程實(shí)現(xiàn)，然而，在此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于超大功率二維半導(dǎo)體列陣鎖相時(shí)，在傾斜適配角度的外腔鏡使列陣選擇同相模震蕩后，雖然冷卻子系統(tǒng)能夠保障列陣持續(xù)工作，但殘余熱效應(yīng)仍然會(huì)使得外腔形變不斷加劇，再加上平臺(tái)震動(dòng)等，導(dǎo)致異相模震蕩。因此，必須對(duì)超大功率二維半導(dǎo)體列陣采取穩(wěn)模措施，以使列陣能夠穩(wěn)定地震蕩于同相模，輸出高質(zhì)量激光束，為此，本發(fā)明給出了一種分離式超大功率半導(dǎo)體列陣外腔形變補(bǔ)償量獲取技術(shù)，是補(bǔ)償β漂移的關(guān)鍵一步，只有在獲取補(bǔ)償量后，外腔形變補(bǔ)償裝置才能被啟動(dòng)，在其與配套外腔形變補(bǔ)償技術(shù)匹配后，列陣可穩(wěn)定地選擇同相模振蕩運(yùn)行。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)的技術(shù)問(wèn)題描述當(dāng)采用1/4Talbot外腔鏡技術(shù)鎖相半導(dǎo)體列陣的外腔鏡垂直于發(fā)光單元時(shí)，外腔鏡將發(fā)光單元發(fā)出的同相模光反射并成像于發(fā)光單元間，從而，腔內(nèi)損耗極大，但卻將發(fā)光單元發(fā)出的異相模光反射并成像于發(fā)光單元內(nèi)，因而1/4Talbot外腔鏡技術(shù)鎖相半導(dǎo)體列陣將選擇異相模震蕩，列陣及相應(yīng)光場(chǎng)分布如圖1所示。在外腔鏡偏轉(zhuǎn)β＝λ/2d后，如圖2所示，發(fā)光單元發(fā)出的光經(jīng)外腔鏡反射后將偏轉(zhuǎn)λ/d，相應(yīng)地，如圖3所示，被反射的同相模光與異相模光將交換二者在發(fā)光單元的成像位置，從而，采用傾斜β＝λ/2d的1/4Talbot外腔鏡技術(shù)鎖相的半導(dǎo)體列陣將選擇同相模震蕩，但是，對(duì)于采用此技術(shù)鎖相的超大功率二維半導(dǎo)體列陣，雖然列陣的冷卻子系統(tǒng)能夠保障列陣持續(xù)工作，但是隨著列陣輸出功率的增加，由于殘余熱效應(yīng)等作用于外腔鏡，將引起β漂移，對(duì)于光發(fā)區(qū)慢軸寬度為S的任意一個(gè)發(fā)光單元，當(dāng)β漂移超過(guò)Sλ/2d2時(shí)，超過(guò)一半的同相模反射光將成像于發(fā)光單元之間，導(dǎo)致異相模占優(yōu)；當(dāng)β漂移超過(guò)((d-S)λ)/2d2時(shí)，超過(guò)一半的異相模反射光將成像于發(fā)光孔中，也將導(dǎo)致異相模占優(yōu)，為保障列陣恒定不變地震蕩于同相模，必須及時(shí)地補(bǔ)償外腔鏡形變引起的β漂移，而外腔形變補(bǔ)償量獲取是成功補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)輸入源泉，對(duì)于補(bǔ)償操作而言，是決定成敗的關(guān)鍵第一步。
本發(fā)明針對(duì)的技術(shù)問(wèn)題解決辦法隨著列陣輸出同相模激光功率的增大，對(duì)于殘余熱效應(yīng)使β發(fā)生近似對(duì)稱性的雙向漂移，采用兩組外腔鏡形變感測(cè)及補(bǔ)償設(shè)備，圖4為相應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、構(gòu)成元素、及運(yùn)行示意圖，其各發(fā)光單元發(fā)出的激光傳送至外腔鏡的傳輸長(zhǎng)度為L(zhǎng)C＝d2/2λ，即1/4Talbot腔長(zhǎng)。分光鏡1將主動(dòng)感測(cè)光源發(fā)出的He-Ne激光一分為二，其反射光經(jīng)反射鏡1反射、匹配擴(kuò)束鏡擴(kuò)束、分光鏡2反射而投射到外腔鏡反射面上，隨即，被外腔鏡反射的激光束穿透分光鏡2，經(jīng)反射鏡R2.1和R2.2、反射鏡3反射后，變焦光學(xué)器件1調(diào)節(jié)米自R2.1的激光束，使得透鏡1聚焦自身入射光束于CCD1上，由處理器1計(jì)算此光斑質(zhì)心；與此同時(shí)，變焦光學(xué)器件2調(diào)節(jié)來(lái)自R2.2的激光束，使得透鏡2將另一半入射光束成像于CCD2上，由處理器2計(jì)算此光斑質(zhì)心。在外腔鏡未發(fā)生形變時(shí)，一光斑質(zhì)心為(xC0，yC0)，在標(biāo)定后，外腔鏡發(fā)生形變后，相應(yīng)光斑質(zhì)心要發(fā)生一定偏移而變?yōu)?xC1，yC1)，處理器1實(shí)時(shí)計(jì)算CCD1上成像光斑質(zhì)心的變化量，并在其達(dá)到門限時(shí)，通過(guò)運(yùn)行半量補(bǔ)償量獲取法(參見具體實(shí)施方式
)獲知補(bǔ)償量，然后再配合相應(yīng)D/A、相應(yīng)高壓驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)安裝在圖4所示外腔鏡末端位置的相應(yīng)壓電補(bǔ)償器PZT膨脹，完成對(duì)應(yīng)R2.1的外腔鏡形變的補(bǔ)償操作，使外腔鏡一個(gè)方向的形變得到補(bǔ)償，從而適時(shí)補(bǔ)償β在一個(gè)方向的漂移；同時(shí)，處理器2實(shí)時(shí)計(jì)算CCD2上成像光斑質(zhì)心的變化量，并在其達(dá)到門限時(shí)，通過(guò)運(yùn)行全量補(bǔ)償量獲取法獲知補(bǔ)償量，然后再配合相應(yīng)D/A、相應(yīng)高壓驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)安裝在圖4所示R2.2上末端位置的壓電補(bǔ)償器PZT膨脹，完成對(duì)應(yīng)R2.2的外腔鏡形變的補(bǔ)償操作，使外腔鏡另外一個(gè)方向的形變得到補(bǔ)償，從而適時(shí)補(bǔ)償β在另外一個(gè)方向的漂移。如此，通過(guò)外腔形變感測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)感知外腔鏡的狀態(tài)，補(bǔ)償設(shè)備適時(shí)補(bǔ)償，使得外腔鎖相列陣克服β漂移帶來(lái)的影響，穩(wěn)定地震蕩于同相模運(yùn)行。



圖1為1/4Talbot外腔鏡技術(shù)鎖相半導(dǎo)體列陣及相應(yīng)光場(chǎng)分布示意圖； 圖2為傾斜適配角度的外腔鏡使列陣選擇同相模震蕩所需位置條件示意圖，β＝λ/2d 圖3為對(duì)應(yīng)圖2的列陣反饋光場(chǎng)分布示意圖； 圖4為運(yùn)行本發(fā)明所給出技術(shù)的系統(tǒng)示意圖； 圖5為采用本發(fā)明所給出技術(shù)及其配套外腔形變補(bǔ)償技術(shù)前，超大功率半導(dǎo)體列陣鎖相運(yùn)行的典型輸出場(chǎng)分布，由于外腔鏡受殘余熱效應(yīng)等影響而變形，導(dǎo)致非同相模振蕩，遠(yuǎn)場(chǎng)變成了三瓣結(jié)構(gòu)。
圖6為采用本發(fā)明所給出技術(shù)及其配套外腔形變補(bǔ)償技術(shù)后，超大功率半導(dǎo)體列陣鎖相運(yùn)行的典型輸出場(chǎng)分布，為單瓣結(jié)構(gòu)，可見，β漂移被校正，外腔形變感測(cè)補(bǔ)償子系統(tǒng)能夠保障列陣穩(wěn)定地運(yùn)行于同相模，本發(fā)明能夠很好地伺服列陣穩(wěn)定鎖相運(yùn)行。
下面通過(guò)實(shí)例具體說(shuō)明本

發(fā)明內(nèi)容

具體實(shí)施例方式 采用He-Ne激光器作為主動(dòng)感測(cè)光源，分光鏡1將其發(fā)出的激光束分裂為透射光部分和反射光部分，其透射光部分將直接投射到通過(guò)特制固定設(shè)備固定在外腔鏡上的四象限探測(cè)器上，以測(cè)量其所在端外腔鏡的位移，固定設(shè)備的熱膨脹系數(shù)與外腔鏡相近，四象限探測(cè)器平行于外腔鏡反射面，一方面，可以在處理器1控制下，配合外加電壓，測(cè)量其所在端外腔鏡的位移，得到補(bǔ)償設(shè)備計(jì)算補(bǔ)償量所需的補(bǔ)償響應(yīng)，這大大簡(jiǎn)化了相關(guān)系列操作；另一方面，在相應(yīng)補(bǔ)償設(shè)備執(zhí)行補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，基于四象限探測(cè)器的位移測(cè)量系統(tǒng)適時(shí)測(cè)量其所在端外腔鏡的位移，監(jiān)控補(bǔ)償設(shè)備執(zhí)行的補(bǔ)償量，為優(yōu)化性能加權(quán)提供依據(jù)。
分光鏡1的反射光部分將由反射鏡1反射，經(jīng)匹配擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后，再由分光鏡2反射，將此部分He-Ne激光光束投射到1/4Talbot外腔鏡反射面上，爾后，被外腔鏡反射的光束將穿透分光鏡2，經(jīng)反射鏡R2.1和R2.2反射，再經(jīng)反射鏡3反射后，對(duì)應(yīng)R2.1的光束將經(jīng)變焦光學(xué)器件1調(diào)節(jié)，以匹配透鏡1、成像于CCD1，對(duì)應(yīng)R2.2的He-Ne激光束經(jīng)變焦光學(xué)器件2、透鏡2成像于CCD2，無(wú)論是對(duì)應(yīng)CCD1的成像光斑還是對(duì)應(yīng)CCD2的成像光斑，光斑質(zhì)心(xC，yC)可通過(guò) 計(jì)算得出，式中M是CCD像素陣列式中的行數(shù)，N是CCD像素陣列式中的列數(shù)，xij是像素(i，j)的x坐標(biāo)，yij是像素(i，j)的Y坐標(biāo)，Iij對(duì)應(yīng)像素(i，j)的輸出光強(qiáng)值。如果在外腔鏡未發(fā)生形變時(shí)，一光斑質(zhì)心為(xC0，yC0)，那么，外腔鏡發(fā)生形變后，相應(yīng)光斑質(zhì)心要發(fā)生一定偏移而變?yōu)?xC1，yC1)，如果相應(yīng)透鏡的焦距為f，則所需校正斜率為 Sx＝(xC1-xC0)/f，Sy＝(yC1-yC0)/f； 引發(fā)β漂移的是外腔Z軸向形變，故而，當(dāng)漂移量為Δβ時(shí)，對(duì)外腔鏡反射面上任意一點(diǎn)而言，如果其至雙向漂移的對(duì)稱中心線的距離為l，則僅需使反射面在對(duì)應(yīng)Z軸向逆向轉(zhuǎn)動(dòng) δz＝(l/2)*Δβ； 就可補(bǔ)償一個(gè)方向的漂移。
從而，對(duì)于與CCD1感測(cè)參數(shù)對(duì)應(yīng)方向的外腔形變，在處理器獲得所需參數(shù)，并實(shí)時(shí)計(jì)算出成像于CCD1上光斑相應(yīng)的Sx和Sy后，按 δz＝(ωaa)*(ωxSx+ωy*Sy)/2 計(jì)算所需補(bǔ)償量，式中，2a為X方向外腔鏡長(zhǎng)度，ωx、ωy、ωa為分別對(duì)應(yīng)sx、sy、a的性能精度加權(quán)值，與外腔鏡兩個(gè)方向的形變量及其補(bǔ)償交聯(lián)相關(guān)，此為半量補(bǔ)償量獲取法獲知補(bǔ)償量，從而能夠適時(shí)補(bǔ)償β在一個(gè)方向的漂移的關(guān)鍵。
由于未施加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，壓電補(bǔ)償器不膨脹，投射到四象限探測(cè)器上的激光束中心與四象限探測(cè)器中心重合，相應(yīng)差動(dòng)電流響應(yīng)Iz＝0；但當(dāng)施加驅(qū)動(dòng)電壓Vc時(shí)，投射到四象限探測(cè)器上的激光束中心與四象限探測(cè)器中心將分開一定距離δz，相應(yīng)差動(dòng)電流響應(yīng) 式中Ic為投射到四象限探測(cè)器上的激光強(qiáng)度，rz為光束半徑，CZ是探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換效率。經(jīng)濾波器、積分器、放大器等處理后，Iz可被轉(zhuǎn)換為電壓Vz，如適當(dāng)選取分路穩(wěn)模系統(tǒng)參數(shù)，Vz可與對(duì)應(yīng)δz的電壓Vc相等，如放大系數(shù)為Ac，積分系數(shù)為CI，壓電補(bǔ)償器傳輸函數(shù)為GZ(s)，則 Vz(s)＝Vc(s)＝AcIz(s)/d(s)， 式中， d(s)＝CI+Iz(s)AcGz(s)/δz(s)； 可見，對(duì)一定的壓電補(bǔ)償器，δz與Vc的關(guān)系是一定的，可事先測(cè)量并存儲(chǔ)在處理器中，以服務(wù)于實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)所需補(bǔ)償電壓Vz。從而，壓電補(bǔ)償器補(bǔ)償β漂移所需驅(qū)動(dòng)電壓可對(duì)照δz計(jì)算得到，并在處理器、D/A、高壓驅(qū)動(dòng)模塊等配合下，完成補(bǔ)償操作。
具體運(yùn)行時(shí)，β在一個(gè)方向漂移由R2.1、CCD1、處理器1、配套D/A、高壓驅(qū)動(dòng)模塊1、配套壓電補(bǔ)償器，完成相應(yīng)Sx、Sy、δz、Vz有關(guān)感測(cè)操作和補(bǔ)償操作；β在另一個(gè)方向漂移由R2.2、CCD2、處理器2、配套D/A、相應(yīng)高壓驅(qū)動(dòng)模塊2、配套壓電補(bǔ)償器，完成相應(yīng)Sx、Sy、δz、Vz有關(guān)感測(cè)操作和補(bǔ)償操作 本發(fā)明有益效果本發(fā)明給出的分離式超大功率半導(dǎo)體列陣外腔形變補(bǔ)償量獲取技術(shù)，其與配套外腔形變補(bǔ)償技術(shù)一道伺服傾斜λ/2d的1/4Talbot外腔鏡技術(shù)，很好地克服外腔鏡形變給超大功率二維半導(dǎo)體列陣鎖相帶來(lái)的影響，使列陣能夠穩(wěn)定地震蕩于同相模，對(duì)工作環(huán)境的適應(yīng)性得到增強(qiáng)。
權(quán)利要求
1.服務(wù)于超大功率半導(dǎo)體列陣選擇同相模運(yùn)行的穩(wěn)定性控制的外腔形變補(bǔ)償量獲取技術(shù)，其特征在于在外腔內(nèi)構(gòu)建探測(cè)補(bǔ)償子系統(tǒng)通過(guò)半量補(bǔ)償量獲取法獲知補(bǔ)償量。
2.對(duì)于半量補(bǔ)償量獲取法，其工程應(yīng)用需特定的運(yùn)行環(huán)境，其特征在于一路測(cè)量外腔形變的子系統(tǒng)利用反射鏡R2.1、反射鏡3、變焦光學(xué)器件1、透鏡1，聚焦經(jīng)外腔反射的一半He-Ne激光束成像于CCD1上，獲得一個(gè)光斑，并由處理器1計(jì)算此光斑質(zhì)心、以及計(jì)算相應(yīng)標(biāo)定后的變化量，從而獲取外腔鏡一個(gè)方向的形變信息，并在其達(dá)到門限時(shí)，通過(guò)半量補(bǔ)償量獲取法獲知補(bǔ)償量，然后再配合相應(yīng)D/A、相應(yīng)高壓驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)安裝在外腔鏡末端位置的相應(yīng)壓電補(bǔ)償器PZT膨脹，補(bǔ)償，從而適時(shí)補(bǔ)償β在一個(gè)方向的漂移。
3.對(duì)于半量補(bǔ)償量的獲取，其特征在于對(duì)于與CCD1相應(yīng)β在一個(gè)方向的漂移，以與CCD1相關(guān)的校正斜率加權(quán)后的一半值為輸入，獲取補(bǔ)償量。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種超大功率半導(dǎo)體列陣中，克服外腔形變影響鎖相質(zhì)量，為避免降低鎖相質(zhì)量而補(bǔ)償形變所需補(bǔ)償量獲取技術(shù)。與CCD1相關(guān)的一路測(cè)量外腔形變的子系統(tǒng)利用反射鏡R2.1、反射鏡3、變焦光學(xué)器件1、透鏡1，聚焦經(jīng)外腔反射的一半He-Ne激光束成像于CCD1上，由處理器1計(jì)算光斑質(zhì)心、以及計(jì)算標(biāo)定后的變化量，從而獲取外腔鏡一個(gè)方向的形變信息，并在其達(dá)到門限時(shí)，通過(guò)半量補(bǔ)償量獲取法獲知補(bǔ)償量，然后再配合相應(yīng)D/A、相應(yīng)高壓驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)安裝在外腔鏡末端位置的相應(yīng)壓電補(bǔ)償器PZT膨脹，補(bǔ)償，從而適時(shí)補(bǔ)償β在一個(gè)方向的漂移，服務(wù)于適時(shí)補(bǔ)償由殘余熱效應(yīng)等引起的外腔鏡隨機(jī)形變，使得采用傾斜匹配角度的外腔鏡鎖相的超大功率二維半導(dǎo)體列陣穩(wěn)定地震蕩于同相模，保障列陣穩(wěn)定輸出的高質(zhì)量。
文檔編號(hào)H01S5/00GK101127435SQ20071004947
公開日2008年2月20日 申請(qǐng)日期2007年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月9日
發(fā)明者然 蔡 申請(qǐng)人:然 蔡, 榮 健, 鐘曉春