專(zhuān)利名稱(chēng)：一種改善高功率激光二極管陣列相干性的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種激光二極管陣列，尤其是一種改善高功率激光二極管陣列相干性的裝置，屬于激光技術(shù)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高功率激光二極管陣列具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，例如工業(yè)、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域(Opt. Express 12,609)。然而二極管陣列各發(fā)光單元之間是非相干，因此整個(gè)二極管陣列輸出的激光的是非相干的。這將影響激光二極管陣列在很多領(lǐng)域的使用，如泵浦固體或光纖激光器等領(lǐng)域的應(yīng)用。因此改善激光二極管陣列輸出激光的相干性是一項(xiàng)非常重要的課題。目前改善光纖激光陣列的相干性研究比較多，對(duì)于激光二極管陣列的相干性技術(shù)研究報(bào)道比較少，本實(shí)用新型將會(huì)有效地改 善激光二極管陣列的相干性。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種改善高功率激光二極管陣列相干性的裝置，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，能夠改善高功率激光二極管陣列相干性，擴(kuò)大了激光二極管陣列的使用范圍，降低使用成本，安全可靠。按照本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案，所述改善高功率激光二極管陣列相干性的裝置，包括激光二極管陣列及位于所述激光二極管陣列輸出端的快軸準(zhǔn)直鏡；所述快軸準(zhǔn)直鏡對(duì)應(yīng)于與激光二極管陣列相連的另一側(cè)設(shè)有第一透鏡，所述第一透鏡的后上方形成反饋支路，第一透鏡的后下方形成輸出支路；所述反饋支路包括位于第一透鏡后上方的第二透鏡及反饋元件，所述反饋元件與第二透鏡、第一透鏡及激光二極管陣列后端面形成離軸外反饋腔；所述輸出支路包括位于第一透鏡后下方的平面反射鏡及位于所述平面反射鏡下方的準(zhǔn)直透鏡；激光二極管陣列各發(fā)光單元向上發(fā)出的光線(xiàn)經(jīng)第一透鏡及第二透鏡擴(kuò)束后，打到反饋元件上，調(diào)節(jié)反饋元件的傾角，光束將反饋到激光二極管陣列的自身單元及相鄰單元，使的激光二極管陣列內(nèi)發(fā)光單元相互耦合后輸出相干光；激光二極管陣列發(fā)出的相干光通過(guò)平面反射鏡反射及準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后射出。所述激光二極管陣列為一維激光二極管陣列，所述激光二極管陣列包括19或49個(gè)發(fā)光單元。所述第一透鏡的后焦面與第二透鏡的前焦面相重合；所述第一透鏡及第二透鏡為柱面鏡或球面透鏡。所述反饋元件為平面反射鏡、平面閃耀光柵或體光柵。所述擴(kuò)束反饋支路與輸出支路對(duì)稱(chēng)分布于第一透鏡光軸的兩側(cè)。所述第二透鏡的焦距為第一透鏡焦距的2 8倍。所述快軸準(zhǔn)直鏡為焦距小于Imm的柱面鏡。所述第二透鏡的后焦面上形成了一個(gè)像平面，所述反饋元件位于所述像平面后的半Talbot距離處。所述輸出支路的準(zhǔn)直透鏡為柱面鏡或球面鏡，準(zhǔn)直透鏡的前焦面與第一透鏡的后焦面相重合。所述平面反射鏡位于第一透鏡的后焦面上，且平面反射鏡與第一透鏡的光軸方向成45度角。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)激光二極管陣列與第一透鏡、第二透鏡及反饋元件間形成了離軸的外Talbot腔，無(wú)需空間濾波器，有效地改善激光二極管陣列內(nèi)每個(gè)發(fā)光單元的輸出激光的方向性，又使各發(fā)光單元之間相互耦合，使各發(fā)光單元之間的輸出光具有了相干性；本實(shí)用新型使用的都是普通的光學(xué)元器件，價(jià)格低廉，本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，很容易推廣到二維的激光二極管陣列(stack);結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，能夠改善高功率激光二極管陣列相干性，擴(kuò)大了激光二極管陣列的使用范圍，降低使用成本，安全可靠。

圖I為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型激光二極管陣列發(fā)出光線(xiàn)經(jīng)反饋元件反饋后的示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖I 圖2所示本實(shí)用新型包括激光二極管陣列I、快軸準(zhǔn)直鏡2、第一透鏡3、第二透鏡4、反饋元件5、平面反射鏡6、準(zhǔn)直透鏡7及像平面8。如圖I和圖2所示所述激光二極管陣列I的輸出端面上安裝有快軸準(zhǔn)直鏡2，所述快軸準(zhǔn)直鏡2為焦距小于Imm的柱面鏡；快軸準(zhǔn)直鏡2對(duì)激光二極管陣列I的快軸方向發(fā)出的光進(jìn)行準(zhǔn)直；其中，圖I中X軸方向?yàn)槁S方向，y軸方向?yàn)榭燧S方向?？燧S準(zhǔn)直鏡2將快軸方向可以準(zhǔn)直到大約為0. 5度左右的發(fā)散角。激光二極管陣列I是由19或49個(gè)獨(dú)立的激光光二極管單元構(gòu)成的一維陣列，19或49個(gè)獨(dú)立的二極管發(fā)光單元沿著X軸方向排列形成一維陣列；所述快軸準(zhǔn)直鏡2固定于激光二極管陣列I的輸出端，快軸準(zhǔn)直鏡2的后面設(shè)有第一透鏡3，所述第一透鏡3的后上方設(shè)置形成反饋支路，第一透鏡3的后下方設(shè)置形成輸出支路，所述輸出支路與反饋支路位于第一透鏡3的光軸的兩側(cè)。反饋支路能夠?qū)⒓す舛O管陣列I發(fā)出的光經(jīng)擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束后打到反饋元件5，并將相應(yīng)光線(xiàn)反饋到激光二極管陣列I的有源區(qū)，并經(jīng)反饋元件5反饋到激光二極管陣列的自身單元及相鄰單兀，使的激光二極管陣列I內(nèi)發(fā)光單兀相互I禹合后輸出相干光，輸出支路能夠?qū)⑾喔晒廨敵觯芴岣呒す舛O管陣列I的使用范圍。具體地，所述第一透鏡3的后上方設(shè)有第二透鏡4，所述第一透鏡3的后焦面與第二透鏡4的前焦面重合，所述第一透鏡3與第二透鏡4間形成擴(kuò)束系統(tǒng)，能夠?qū)す舛O管陣列I向上發(fā)出光線(xiàn)的發(fā)散角進(jìn)行壓縮。第二透鏡4對(duì)應(yīng)于與第一透鏡3相連的另一側(cè)設(shè)有反饋元件5，所述反饋元件5可以是平面反射鏡，平面閃耀光柵或體光柵。反饋元件5將激光二極管陣列I沿特定角度向上發(fā)出的光線(xiàn)沿原路反饋回到激光二極管陣列I中各發(fā)光單元的有源區(qū)內(nèi)；即與反饋元件5的法線(xiàn)有一定夾角的光線(xiàn)會(huì)反饋到相鄰發(fā)光單元；與反饋元件5法線(xiàn)相平行的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)反饋元件5后沿原路反饋到對(duì)應(yīng)發(fā)光單元的有源區(qū)。第一透鏡3與第二透鏡4可以均為為球面透鏡，也可以均為柱面透鏡，第二透鏡4的焦距為第一透鏡3焦距的2 8倍。激光二極管陣列I發(fā)出的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)第一透鏡3與第二透鏡4間形成的擴(kuò)束系統(tǒng)后，使激光二極管陣列I內(nèi)19或49個(gè)發(fā)光單元成像，形成像平面8。所述像平面8在第二透鏡4對(duì)應(yīng)于與第一透鏡3相連的另一側(cè)的焦平面上。我們可以把這19或49個(gè)發(fā)光單元成所成的像，稱(chēng)為像光源陣列。19或49個(gè)像光源和激光二極管陣列I內(nèi)19或49個(gè)發(fā)光單元是等效的。因此整個(gè)第一透鏡3后上支路的光線(xiàn)傳播可以簡(jiǎn)化為像光源一反饋元件一像光源。激光二極管陣列I內(nèi)相鄰的2個(gè)像光源之間中心距離為d，所述反饋元件5是放在第二 透鏡4對(duì)應(yīng)于與第一透鏡3相連的另一側(cè)，且距第二透鏡4的距離為f+d2/X處，其中f是透鏡4的焦距，A是激光二極管陣列I輸出激光的中心波長(zhǎng)；也即是49個(gè)像光源形成的像平面8與反饋元件5距離為d2/ A，這個(gè)距離剛好是半Talbot (泰爾伯特)距離。當(dāng)19或49個(gè)像平面8內(nèi)像光源發(fā)出的光經(jīng)打到反饋元件5之后，每個(gè)單元發(fā)出的光經(jīng)反饋元件5反饋后，一部分光反饋到本單元，也有部分光會(huì)耦合到到其它像光源，并且反饋元件5在半Talbot距離時(shí)候，激光二極管陣列I內(nèi)各發(fā)光單元相互耦合最強(qiáng)，如圖2所示。這樣像平面8內(nèi)各像單元之間相互耦合，因?yàn)榧す舛O管陣列I與像平面8對(duì)應(yīng)的像光源陣列是等效的，因此激光二極管陣列I內(nèi)的二極管發(fā)光單元之間也相互耦合，就會(huì)實(shí)現(xiàn)了相位的鎖定，使得輸出光成為相干光。第一透鏡3的后上支路利用反饋元件5的反射作為一個(gè)反饋，所述反饋元件5與激光二極管陣列I后端面形成一個(gè)共振腔，即外腔；反饋元件5不在光軸上，因此形成離軸反饋腔。對(duì)于激光二極管陣列I內(nèi)的每一個(gè)發(fā)光單元，在自由運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，二極管的慢軸方向(y方向)一般都會(huì)有幾十個(gè)側(cè)模在振蕩。每個(gè)模的遠(yuǎn)場(chǎng)分布都是一個(gè)雙瓣結(jié)構(gòu)，不同階數(shù)的側(cè)向空間模，其空間輻射角不同，式(I)表示第m階模的空間輻射角，其中，Xtl表示發(fā)光單元在慢軸方向上的寬度，k0表示波數(shù)。dm=±y^r(1)
2x太由于不同階數(shù)的空間模，輻射角不同，因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)反饋元件5的傾角，所述反饋元件5的傾角為反饋元件5與Z軸的夾角；根據(jù)傾角來(lái)選定某個(gè)空間模的一個(gè)瓣，將其反饋到激光二極管陣列I的各發(fā)光單元的有源區(qū)內(nèi)，使其繼續(xù)振蕩放大，另一瓣作激光輸出。根據(jù)模式競(jìng)爭(zhēng)的理論，得到反饋的模式振蕩被加強(qiáng)了，其它的模式被有效地抑制了，這樣輸出激光的空間模式數(shù)量就減少了很多。由于第一透鏡3的上支路利用反饋元件5作為公共的反饋鏡，因此每個(gè)發(fā)光單元反饋回來(lái)模的空間輻射角的方向基本差不多，這樣最后所有發(fā)光單元輸出激光的方向性就變得比較好。反饋元件5除了將大部分的光反饋到自身的發(fā)光單元，使本單元的輸出光具有很好的方向性，反饋元件5也能將任一個(gè)單元的光部分地反饋到與該單元相鄰的其它單元，使各發(fā)光單元之間的光實(shí)現(xiàn)相位鎖定，激光二極管陣列I發(fā)出的光線(xiàn)變成了相干光束。第一透鏡3的后下支路是輸出支路，其包含了第一透鏡3，平面反射鏡6和準(zhǔn)直透鏡7。平面反射鏡6放在透鏡3的后焦面上，且平面反射鏡6與第一透鏡3的光軸方向成45度角。第一透鏡3的后焦面與準(zhǔn)直透鏡7的前焦面重合。這樣激光經(jīng)過(guò)透鏡7輸出后就是平行的相干光束了。如圖I和圖2所示激光二極管陣列I發(fā)出的光首先經(jīng)過(guò)一快軸準(zhǔn)直鏡2，對(duì)快軸方向進(jìn)行準(zhǔn)直。在激光二極管陣列I在慢軸方向被第一透鏡3分成了上、下兩個(gè)支路，分別形成對(duì)稱(chēng)分布的反饋支路與輸出支路；上支路的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)第一透鏡3與第二透鏡4形成的擴(kuò)束系統(tǒng)后打到反饋元件5上。反饋元件5放在距像平面8半Talbot距離處。通過(guò)調(diào)節(jié)反饋元件5的傾角，來(lái)選定某個(gè)空間模的一個(gè)瓣，將其反饋到激光二極管陣列I處，使其繼續(xù)振蕩放大，這樣每個(gè)發(fā)光單元激光模式有效減少了，每個(gè)發(fā)光單元的輸出激光具有很好的方向性，此外由于反饋元件5 放在距像平面半Talbot距離處，每個(gè)發(fā)光單元輸出的光都會(huì)有部分耦合到其它發(fā)光單元，這樣各單元之間也形成了相互的相位鎖定，實(shí)現(xiàn)相干輸出。本實(shí)用新型激光二極管陣列I與第一透鏡3、第二透鏡4及反饋元件5間形成了離軸的外Talbot腔，無(wú)需空間濾波器，有效地改善激光二極管陣列內(nèi)每個(gè)發(fā)光單元的輸出激光的方向性，又使各發(fā)光單元之間相互耦合，使各發(fā)光單元之間的輸出光具有了相干性；本實(shí)用新型使用的都是普通的光學(xué)元器件，價(jià)格低廉，本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，很容易推廣到二維的激光二極管陣列(stack);結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，能夠改善高功率激光二極管陣列相干性，擴(kuò)大了激光二極管陣列的使用范圍，降低使用成本，安全可靠。
權(quán)利要求1.一種改善高功率激光二極管陣列相干性的裝置，包括激光二極管陣列(I)及位于所述激光二極管陣列(I)輸出端的快軸準(zhǔn)直鏡(2);其特征是所述快軸準(zhǔn)直鏡(2)對(duì)應(yīng)于與激光二極管陣列(I)相連的另 一側(cè)設(shè)有第一透鏡(3)，所述第一透鏡(3)的后上方形成反饋支路，第一透鏡(3)的后下方形成輸出支路；所述擴(kuò)束反饋支路包括位于第一透鏡(3)后上方的第二透鏡(4)及反饋元件(5)，所述反饋元件(5)與第二透鏡(4)、第一透鏡(3)及激光二極管陣列(I)后端面形成離軸外反饋腔；所述輸出支路包括位于第一透鏡(3)后下方的平面反射鏡(6)及位于所述平面反射鏡(6)下方的準(zhǔn)直透鏡(7)；激光二極管陣列(I)各發(fā)光單元向上發(fā)出的光線(xiàn)經(jīng)第一透鏡(3)及第二透鏡(4)擴(kuò)束后，打到反饋元件(5)上，調(diào)節(jié)反饋元件(5)的傾角，光束將反饋到激光二極管陣列(I)的自身單元及相鄰單元，使的激光二極管陣列(I)內(nèi)發(fā)光單元相互耦合后輸出相干光；激光二極管陣列(I)發(fā)出的相干光通過(guò)平面反射鏡(6)反射及準(zhǔn)直透鏡(7)準(zhǔn)直后射出。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的改善高功率激光二極管陣列相干性的裝置，其特征是所述激光二極管陣列(I)為一維激光二極管陣列，所述激光二極管陣列(I)包括19或49個(gè)發(fā)光單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的改善高功率激光二極管陣列相干性的裝置，其特征是所述第一透鏡(3)的后焦面與第二透鏡(4)的前焦面相重合；所述第一透鏡(3)及第二透鏡(4)為柱面鏡或球面透鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的改善高功率激光二極管陣列相干性的裝置，其特征是所述反饋元件(5)為平面反射鏡、平面閃耀光柵或體光柵。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的改善高功率激光二極管陣列相干性的裝置，其特征是所述反饋支路與輸出支路對(duì)稱(chēng)分布于第一透鏡(3 )光軸的兩側(cè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或3所述的改善高功率激光二極管陣列相干性的裝置，其特征是所述第二透鏡(4)的焦距為第一透鏡(3)焦距的2 8倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的改善高功率激光二極管陣列相干性的裝置，其特征是所述快軸準(zhǔn)直鏡(2)為焦距小于Imm的柱面鏡。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的改善高功率激光二極管陣列相干性的裝置，其特征是在所述第二透鏡(4 )的后焦面形成了一個(gè)像平面(8 )，所述反饋元件(5 )位于所述像平面(8 )后的半Talbot距離處。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的改善高功率激光二極管陣列相干性的裝置，其特征是所述準(zhǔn)直透鏡(7)為柱面鏡或球面鏡，準(zhǔn)直透鏡(7)的前焦面與第一透鏡(3)的后焦面相重合。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的改善高功率激光二極管陣列相干性的裝置，其特征是所述平面反射鏡(6)位于第一透鏡(3)的后焦面上，且平面反射鏡(6)與第一透鏡(3)的光軸方向成45度角。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種改善功率激光二極管陣列相干性的裝置，其包括激光二極管陣列及快軸準(zhǔn)直鏡；快軸準(zhǔn)直鏡對(duì)應(yīng)于與激光二極管陣列相連的另一側(cè)設(shè)有第一透鏡，第一透鏡的后上方形成反饋支路，第一透鏡的后下方形成輸出支路；擴(kuò)束反饋支路包括第二透鏡及反饋元件；輸出支路包括平面反射鏡及準(zhǔn)直透鏡；激光二極管陣列向上發(fā)出光線(xiàn)的發(fā)散角經(jīng)第一透鏡及第二透鏡壓縮后，并通過(guò)反饋元件反饋到激光二極管陣列的有源區(qū)，使得激光二極管陣列內(nèi)發(fā)光單元相互耦合后輸出相干光；激光二極管陣列發(fā)出的相干光通過(guò)平面反射鏡反射及準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后輸出。本實(shí)用新型能夠改善高功率激光二極管陣列相干性，擴(kuò)大了激光二極管陣列的使用范圍，安全可靠。
文檔編號(hào)H01S5/14GK202423823SQ20112052212
公開(kāi)日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者張秀梅, 朱焯煒, 紀(jì)志成, 蘇宙平, 闕立志 申請(qǐng)人:江南大學(xué)