本發(fā)明涉及激光器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種減小激光器系統(tǒng)標準具效應(yīng)的方法。

背景技術(shù)：

激光由于其具有的高亮度、高相干性和高準直性等特點，在工業(yè)、通信、醫(yī)學(xué)、科學(xué)研究及社會生活等領(lǐng)域發(fā)揮了獨特而至關(guān)重要的作用。但是在一些對激光器穩(wěn)定性要求比較高的情況，因激光器窗口或者光路整形元件會產(chǎn)生標準具效應(yīng)影響激光輸出光束穩(wěn)定性。

單模激光二極管，例如，一種運用二極管在發(fā)射波長方面的可調(diào)整性的DFB(分布式反饋激光器)或VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器)激光器振蕩器部分容易受到因為標準具效應(yīng)而產(chǎn)生的反射光的影響；并且更進一步地，載流子起伏引起的有源區(qū)折射率的起伏，使得原來穩(wěn)定的諧振腔處于非穩(wěn)態(tài)或者因為激光器諧振作用沒有達到穩(wěn)定的狀態(tài)；并且更進一步地增加了自然發(fā)射向振蕩模的耦合，整個過程反復(fù)重復(fù)進行，增加了激光器本身輸出的不穩(wěn)定性，從而在應(yīng)用過程中不能達到高靈敏度的檢查或者應(yīng)用。

發(fā)明專利CN102195233A闡述了一種應(yīng)用動態(tài)調(diào)節(jié)的方式降低標準具效應(yīng)的方法，出了用于周期性改變光學(xué)元件相對于激光二極管的位置和排列的一種可電控的動力裝置，從而使得殼中的激光束的光徑長度周期性變化。光學(xué)元件的振蕩運動具有對由殼中激光束的背反射導(dǎo)致的標準具效應(yīng)和自混合效應(yīng)進行時間平均的效果，由此降低激光二極管結(jié)構(gòu)的光學(xué)噪聲。該方法可以減小標準具效應(yīng)帶來的激光器系統(tǒng)的輸出光束的不穩(wěn)定性，但是實施過程復(fù)雜，因為系統(tǒng)中有動態(tài)移動的元件，過程中容易造成系統(tǒng)因為動態(tài)元件的存在而帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定因素，且過程中為動態(tài)元件提供動力的驅(qū)動電路，同樣也會造成系統(tǒng)的冗余和不確定性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，依靠諧振腔內(nèi)光子和載流子的關(guān)系，通過改變諧振腔內(nèi)平衡，能夠有效的控制標準具效應(yīng)帶來的激光器系統(tǒng)輸出光束的不穩(wěn)定性，提出一種性能穩(wěn)定、能量損失少，適用于高效穩(wěn)定激光系統(tǒng)的一種減小激光器系統(tǒng)標準具效應(yīng)的方法。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種減小激光器系統(tǒng)標準具效應(yīng)的方法，包括以下步驟：

S1：將直流偏置電路和調(diào)制信號發(fā)生器分別與激光器的電極連接，所述直流偏置電路用于驅(qū)動激光器，為激光器提供泵浦用的載流子，所述激光器內(nèi)設(shè)有一諧振腔，所述諧振腔將泵浦用的載流子轉(zhuǎn)化為光子，并且受激輻射，形成穩(wěn)定的激光輸出，所述直流偏置電路和所述調(diào)制信號注入激光器，所述調(diào)制信號發(fā)生器輸出調(diào)制信號，所述調(diào)制信號和激光器自身的寄生參數(shù)匹配，以改變激光器諧振腔內(nèi)光子的分布狀態(tài)；

激光器波長和帶寬的關(guān)系為：

其中，α為展寬因子，與激光器的設(shè)計有關(guān)，α為一常數(shù)；P為光功率，為絕熱啁啾，dp/dt為瞬態(tài)啁啾；

激光器載流子和光子的關(guān)系方程為：

S2：通過激光器諧振腔匹配的載流子的注入，影響激光器已經(jīng)平衡的光子的分布的狀態(tài)，讓經(jīng)過該狀態(tài)后的光子再和激光器窗口或光學(xué)元件反射的激光相遇形成標準具效應(yīng)，提高激光器輸出激光的穩(wěn)定性。

優(yōu)選地，所述寄生參數(shù)為寄生電容或寄生電阻，所述直流偏置電路和所述調(diào)制信號發(fā)生器注入到所述激光器中，所述調(diào)制信號和所述寄生電容、所述寄生電阻構(gòu)成共振關(guān)系，體現(xiàn)在光學(xué)輸出上為啁啾效應(yīng)，諧振腔輸出激光模式增加，微量返回光作用到所述激光器后，多個模式的標準具效應(yīng)對激光器的影響小于等量的單個模式或少數(shù)模式的自混合干涉效應(yīng)對激光器的影響，所述激光器進而輸出穩(wěn)定的激光光束。

優(yōu)選地，所述激光器沿光軸z方向放置，所述直流偏置電路和所述調(diào)制信號發(fā)生器與所述激光器間隙設(shè)置，所述激光器與所述直流偏置電路和所述調(diào)制信號發(fā)生器電性連接。

優(yōu)選地，所述激光器的后面間隙設(shè)置有一用于引導(dǎo)激光光束和/或?qū)す夤馐蔚墓鈱W(xué)元件。

優(yōu)選地，所述調(diào)制信號發(fā)生器可為數(shù)字信號發(fā)生器或模擬信號發(fā)生器。

優(yōu)選地，所述光學(xué)元件為一種衍射光學(xué)元件。

本發(fā)明技術(shù)方案的優(yōu)點主要體現(xiàn)在：從空間上和時間上都減小了因為標準具效應(yīng)而帶來的激光器短時間內(nèi)的功率波動，保證了整個激光器系統(tǒng)的穩(wěn)定性；能夠有效降低返回光對激光器穩(wěn)定性的影響，進而有效的減小標準具效應(yīng)進而使得激光器本身的穩(wěn)定性降低。該激光器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，簡便可行，在使用過程中能量損失少，可適用于高效穩(wěn)定的激光器系統(tǒng)，且具有低成本、易組裝調(diào)節(jié)、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，可在產(chǎn)業(yè)中推廣應(yīng)用。

附圖說明

參照附圖，本發(fā)明的公開內(nèi)容將變得更易理解。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解的是：這些附圖僅僅用于說明的目的，而并非意在對本發(fā)明的保護范圍構(gòu)成限制。其中：

圖1是本發(fā)明實施例1激光器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明調(diào)制信號電路的電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是未使用該發(fā)明激光器的相對光強分布圖；

圖4是本發(fā)明空間上激光器的相對光強分布圖；

圖5是未使用該發(fā)明的激光器結(jié)構(gòu)原理圖；

圖6是本發(fā)明時間上激光器的結(jié)構(gòu)原理圖。

具體實施方式

本發(fā)明的目的、優(yōu)點和特點，將通過下面優(yōu)選實施例的非限制性說明進行圖示和解釋。這些實施例僅是應(yīng)用本發(fā)明技術(shù)方案的典型范例，凡采取等同替換或者等效變換而形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求保護的范圍之內(nèi)。

如圖1所示，一種減小標準具效應(yīng)的激光器系統(tǒng)，包括一沿光軸z方向放置的激光器(Laser)1，還包括與所述激光器間隙設(shè)置的直流偏置電路2和調(diào)制信號發(fā)生器3。所述激光器1內(nèi)設(shè)有一諧振腔，所述諧振腔將泵浦用的載流子轉(zhuǎn)化為光子，并且受激輻射，形成穩(wěn)定的激光輸出。

所述激光器1與所述直流偏置電路2和所述調(diào)制信號發(fā)生器3電性連接，具體地，所述直流偏置電路2的輸出端與所述激光器的電極連接，所述調(diào)制信號發(fā)生器3的輸出端與所述激光器的電極連接。所述直流偏置電路2和所述調(diào)制信號發(fā)生器3相當(dāng)于是載流子的提供源頭，即能量的源頭，載流子通過諧振腔轉(zhuǎn)化為光子，光子受激輻射產(chǎn)生激光。

所述直流偏置電路2用于驅(qū)動所述激光器1，為所述激光器1提供泵浦用的載流子，所述直流偏置電路2和激光器的電學(xué)參數(shù)匹配，所述直流偏置電路2可為線性電源或穩(wěn)定的開關(guān)電源，在本實施例中，所述直流偏置電路2優(yōu)選為線性電源。所述調(diào)制信號發(fā)生器3將調(diào)制信號和激光器自身的寄生參數(shù)匹配，以改變激光器諧振腔內(nèi)光子的分布狀態(tài)，在本實施例中，所述寄生參數(shù)為寄生電容或寄生電阻。

如圖2所示，所述直流偏置電路2為一低通直流回路，所述低通直流回路包括DC電源，所述DC電源的正極與激光器的陰極連接，所述DC電源的負極通過電感與激光器的陽極連接。在本技術(shù)方案中，所述直流偏置電路2為一電流恒定的恒流源，在低通直流回路中，等效電感主要由電感組成的低通濾波，對高頻成分起到阻隔作用。如圖2所示，所述調(diào)制信號發(fā)生器3為一高通交流回路，所述高通交流回路包括AC電源，所述AC電源的正極通過電容與激光器的陰極連接，所述AC電源的負極與激光器的陽極連接，所述高通直流回路主要由電容及AC信號源內(nèi)阻抗，PCB走線構(gòu)成，形成高頻通路，阻隔直流部分。在本技術(shù)方案中，所述調(diào)制信號發(fā)生器3可根據(jù)需要產(chǎn)生射頻范圍內(nèi)的頻率，信號經(jīng)過電容，走線耦合到激光器里，這里的耦合是指交流耦合，直接調(diào)制，射頻調(diào)制的頻率范圍從300KHz～300GHz之間，所述射頻調(diào)制輸出的波形近似正弦波形。

如圖1所示，所述激光器系統(tǒng)還包括一與所述激光器1間隙設(shè)置的用于引導(dǎo)激光光束和/或?qū)す夤馐蔚墓鈱W(xué)元件4(DOE)。所述光學(xué)元件4為一種衍射光學(xué)元件，所述衍射光學(xué)元件4的材料可為熔融石英、光學(xué)玻璃或光學(xué)樹脂材料，在本實施例中，所述衍射光學(xué)元件4的材料優(yōu)選為光學(xué)樹脂材料。之所以選用光學(xué)樹脂材料是因為光學(xué)樹脂具有以下優(yōu)點：光學(xué)樹脂不僅透明透光性好，在可見光區(qū)，光學(xué)樹脂的透光率和玻璃相似，在紅外光區(qū)，光學(xué)樹脂的透光率比玻璃稍高，在紫外區(qū)，以0.4微米開始隨波長的減小透光率降低，波長小于0.3微米的光幾乎全部吸收；抗沖擊能力強，光學(xué)樹脂的沖擊力是玻璃的好幾倍，不易破碎，安全耐用。當(dāng)然在工作過程中，也可選用光學(xué)玻璃，當(dāng)在選用光學(xué)玻璃時，優(yōu)選為德國SCHOTT肖特公司生產(chǎn)的BK7玻璃，相當(dāng)于國內(nèi)的K9玻璃，BK7玻璃的具體參數(shù)如下：折射率1.51680，耐酸性1，K氏硬度610。

所述衍射光學(xué)元件4由模壓或刻蝕工藝制成，所述衍射光學(xué)元件4適用于對Nd:YAG、CO2、飛秒激光器、半導(dǎo)體激光器等各種激光器進行光束整形。所述衍射光學(xué)元件4的主要應(yīng)用包括激光光束整形(如激光加工、醫(yī)療、成像系統(tǒng)、傳感器，圓形或方形平頂光束整形，矩陣、柵格、線形、圓形圖案整形)和用做天文學(xué)中的相位器件。

所述直流偏置電路2和所述調(diào)制信號發(fā)生器3注入激光器1，所述調(diào)制信號發(fā)生器2輸出的調(diào)制信號與激光器自身的寄生參數(shù)構(gòu)成共振關(guān)系，諧振腔輸出激光模式增加，影響激光器已經(jīng)平衡的光子的分布的狀態(tài)。所述調(diào)制信號部分要和激光器的自身參數(shù)相匹配，兩者在匹配過程中可以讓調(diào)制信號部分有效地注入激光器諧振腔中，對激光器諧振腔內(nèi)的載流子和光子的平衡有一定的影響作用。

所述直流偏置電路2和所述調(diào)制信號發(fā)生器3注入激光器1后，所述激光器1輸出激光光束101，所述激光光束101經(jīng)過衍射光學(xué)元件4后輸出激光光束102。

如圖1所示，反射光可以由外界耦合到所述激光器1中，也可以由光學(xué)元件耦合到所述激光器1中。具體為：在激光光束傳輸過程中，所述激光光101經(jīng)過所述衍射光學(xué)元件輸出激光光束102，因激光器窗口或者衍射光學(xué)元件會產(chǎn)生標準具效應(yīng)影響激光輸出光束的穩(wěn)定性。但是經(jīng)過針對激光器具體參數(shù)適配的調(diào)制信號，所述調(diào)制信號可以為模擬信號調(diào)制發(fā)生器或者高速數(shù)字調(diào)制信號發(fā)生器，在本實施例中，所述調(diào)制信號優(yōu)選為高速數(shù)字信號發(fā)生器，所述高速數(shù)字信號發(fā)生器為和激光器參數(shù)匹配的數(shù)字信號調(diào)制。從空間上和時間上都減小了因為標注具效應(yīng)而帶來的激光器短時間內(nèi)的功率波動，保證了整個激光器系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在本實施例中，所述激光器1優(yōu)選為多量子阱激光器，通過多層速率方程模型和小信號分析的方法，得到了光子密度、載流子俘獲、逃逸和隧穿時間等關(guān)鍵參數(shù)對多量子阱激光器頻率響應(yīng)特性的影響。通過激光器的寄生電參數(shù)及其寄生電路對其頻率響應(yīng)進行了分析，得到其寄生電路并發(fā)現(xiàn)其中寄生電容對調(diào)制寬度的影響較大，寄生電容與調(diào)制信號的電路匹配，可以提高信號的注入效率。

該多量子阱激光器波長和帶寬的關(guān)系為：

其中，α為展寬因子，與激光器的設(shè)計有關(guān)，α為一常數(shù)。P為光功率，為絕熱啁啾，dp/dt為瞬態(tài)啁啾。啁啾是信號頻率隨時間變化，在脈沖前后沿由于調(diào)制產(chǎn)生頻率變化，使信號頻譜展寬，并用啁啾系數(shù)(亦稱線寬展寬因子)描述，這種變化可以是線性的，也可是非線性的。啁啾產(chǎn)生的原因主要是由于介質(zhì)的折射率由于動態(tài)電信號調(diào)制的影響產(chǎn)生動態(tài)變化，從而引起在介質(zhì)中傳播的光信號的相位也產(chǎn)生動態(tài)變化，這種相位的變化，直接就體現(xiàn)為光信號頻率的動態(tài)變化。

該多量子阱激光器載流子和光子的關(guān)系方程為：

根據(jù)上式可知，光限制因子的增大會使微分增益隨之增大，同時多量子阱激光器光子會有更大的弛豫振蕩效率；如果調(diào)制信號的參數(shù)和多量子阱激光器弛豫振蕩效率相關(guān)，過程中會影響激光器諧振腔內(nèi)的模式的分布，可以穩(wěn)定的產(chǎn)生更多個縱模的光的諧振狀態(tài)。在該過程中因為外界反射光或者激光器窗口、光學(xué)元件等作用反射的激光耦合到激光器諧振腔中，標準具效應(yīng)會因為激光器縱模的增加而減弱或者是綜合作用能力對原有的諧振腔的模式分布的干擾能力減弱，進一步地從空間上減小了自混合干涉效應(yīng)對激光器穩(wěn)定性的影響。

所述調(diào)制信號可以為模擬信號調(diào)制，也可以為和激光器參數(shù)匹配的數(shù)字信號的調(diào)制。所述調(diào)制信號的疊加，會平均單位探測時間內(nèi)的外部反射的激光或者因為激光器窗口、衍射光學(xué)元件等作用的反射回的激光產(chǎn)生的標準具效應(yīng)的影響。由于調(diào)制信號的作用載流子和光子之間的轉(zhuǎn)換的滯后和光學(xué)調(diào)制的啁啾效應(yīng)，進一步從時間上減小了標準具效應(yīng)對激光器穩(wěn)定性的影響。

圖4是一種空間上減小標準具效應(yīng)的激光器的相對光強分布圖，圖3為未使用該發(fā)明激光器的相對光強分布圖；圖4為使用本發(fā)明空間上激光器的相對光強分布圖；圖3為未使用該發(fā)明的相對光強分布圖；圖4為使用該發(fā)明的相對光強分布圖。從圖4中可以看出所述直流偏置電路2和所述調(diào)制信號發(fā)生器3注入所述激光器1后，原來的激光器諧振腔的狀態(tài)被破壞，諧振腔內(nèi)載流子和光子的轉(zhuǎn)換關(guān)系改變，諧振腔內(nèi)的激光器輸出的縱模的個數(shù)增加，體現(xiàn)到輸出光譜有譜寬的現(xiàn)象，這樣從空間上相似能量的返回光自混合到諧振腔中，對原來激射模式的光子的總體的影響效果與圖3未使用該發(fā)明的實例相比有很大的改善。

圖6是本發(fā)明的一種時間上減小標準具效應(yīng)的激光器結(jié)構(gòu)原理圖，圖5為未使用該發(fā)明的激光器結(jié)構(gòu)原理圖；圖6為本發(fā)明時間上激光器的結(jié)構(gòu)原理圖。圖5為未使用該發(fā)明的實例，圖6為使用該發(fā)明的實例。從圖6中可以看出所述直流偏置電路2和所述調(diào)制信號發(fā)生器3注入所述激光器后，原來的激光器諧振腔的狀態(tài)被破壞，諧振腔內(nèi)載流子和光子的轉(zhuǎn)換關(guān)系改變，載流子和光子的轉(zhuǎn)換滯后效應(yīng)和調(diào)制帶來的啁啾效應(yīng)，從時間維度上相似時間長度的返回光自混合到諧振腔中，對原來激射模式的光子的總體的影響效果與圖5未使用該發(fā)明的實例相比有很大的改善。

標準具效應(yīng)對激光的產(chǎn)生是很壞的影響，會直接影響所述激光器1輸出光束的穩(wěn)定性，甚至嚴重的會影響所述激光器1的使用壽命。該系統(tǒng)從空間上和時間上都減小了因為標準具效應(yīng)而帶來的激光器短時間內(nèi)的功率波動，保證了整個激光器系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

一種減小激光器系統(tǒng)標準具效應(yīng)的方法，包括以下步驟：

S1：將直流偏置電路和調(diào)制信號發(fā)生器分別與激光器的電極連接，所述直流偏置電路用于驅(qū)動激光器，為激光器提供泵浦用的載流子，所述激光器內(nèi)設(shè)有一諧振腔，所述諧振腔將泵浦用的載流子轉(zhuǎn)化為光子，并且受激輻射，形成穩(wěn)定的激光輸出，所述直流偏置電路和所述調(diào)制信號注入激光器，所述調(diào)制信號發(fā)生器輸出調(diào)制信號，所述調(diào)制信號和激光器自身的寄生參數(shù)匹配，以改變激光器諧振腔內(nèi)光子的分布狀態(tài)；

激光器波長和帶寬的關(guān)系為：

其中，α為展寬因子，與激光器的設(shè)計有關(guān)，α為一常數(shù)；P為光功率，為絕熱啁啾，dp/dt為瞬態(tài)啁啾；

激光器載流子和光子的關(guān)系方程為：

S2：通過激光器諧振腔匹配的載流子的注入，影響激光器已經(jīng)平衡的光子的分布的狀態(tài)，讓經(jīng)過該狀態(tài)后的光子再和激光器窗口或光學(xué)元件反射的激光相遇形成標準具效應(yīng)，提高激光器輸出激光的穩(wěn)定性。

所述寄生參數(shù)為寄生電容或寄生電阻，所述直流偏置電路和所述調(diào)制信號注入到激光器中，所述調(diào)制信號和所述寄生電容、所述寄生電阻構(gòu)成共振關(guān)系，體現(xiàn)在光學(xué)輸出上為啁啾效應(yīng)，諧振腔輸出激光模式增加，微量返回光作用到所述激光器后，多個模式的標準具效應(yīng)對激光器的影響小于等量的單個模式或少數(shù)模式的標準具效應(yīng)對激光器的影響，所述激光器進而輸出穩(wěn)定的激光光束。

該激光器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，在使用過程中簡便可行，依靠諧振腔光子和載流子的關(guān)系，通過改變諧振腔內(nèi)平衡，可有效的減小標準具效應(yīng)使得激光器本身的穩(wěn)定性降低，且在使用過程中能量損失少，并且具有低成本、易組裝調(diào)節(jié)、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，可適用于高效穩(wěn)定的激光系統(tǒng)；在使用過程中不會造成激光器系統(tǒng)的冗余和不確定性。

對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神和基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應(yīng)將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)，不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權(quán)利要求。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個整體，各實施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實施方式。