[发明专利]一种超大功率半导体列阵外腔形变补偿量全量获取技术

说明书

技术领域

本发明属于超大功率半导体列阵锁相运行的稳定技术，涉及超大功率半导体列阵通过偏转适配角度的外腔镜选择基超模震荡后，对残余热效应等引起外腔形变导致适配角度的偏离，涉及防止与外腔形变相关的非基超模起振，涉及外腔形变测量和补偿量获取，涉及保障列阵稳定地震荡于基超模运行。

背景技术

半导体列阵量子效率高，输出波长范围涵盖570nm至1600nm，工作寿命可达数百万小时，叠层列阵可提供超高功率激光输出，在诸如工业、医学等很多领域具有非常广阔和良好的应用前景，但是由于自由运行的半导体列阵各个发光单元发出的光是不相干的，其输出质量较差，特别是慢轴多模输出的发散角大、光谱宽，在干扰、色散、方向性等方面特性极差，既无法通过光学系统聚焦到小尺寸，又无法实现远距离传输，严重阻碍了其在机械加工、表面处理、高功率密度泵浦、空间高速光通信等领域中获得有效应用。因而，采取空间锁相措施使得各个单元运行于相同的波长并使得它们之间具有固定的相位差，就变得至关重要。

实现各个单元相干运行方法包括内部耦合和外部耦合。内部耦合通过控制折射率、增益区分布、构造适当的有源层、衬底和覆盖层等措施来使位相得到锁定，但是此种机制相应的发光单元宽度大大限制了半导体列阵能够输出的功率，另外，其相应的系统不稳定性会随着发光单元的增多和驱动电流的增大而增大。外部耦合通过在半导体列阵外部采用位相共轭镜反馈注入锁定技术、主从激光器注入锁定技术、外腔镜技术实现锁相输出。

对于相邻发光单元距离达数百微米的大功率半导体列阵，特别适宜采用基于模式耦合理论和Talbot腔理论的外腔耦合锁相，相应功率耦合主要发生在紧邻单元之间，非相邻单元耦合可以忽略不计，相应系统结构简单而功效良好。

利用工作中心波长为λ，慢轴列阵周期为d，腔长为L_c＝d²/2λ，外腔镜法线方向垂直于慢轴的1/4Talbot外腔镜技术能够成功地锁定大功率半导体列阵相位，但相应远场分布为双瓣结构，标明相应震荡模式为最高阶超模；按照分数Talbot腔场分布规律，为使系统震荡于基超模，以得到远场分布为单瓣结构、接近衍射极限的极佳输出，必须将此1/4Talbot外腔镜在慢轴方向适当地偏转一定角度，这是二维半导体叠层列阵采用外腔技术选择基超模震荡的方式，已成功地获得工程实现，然而，在此项技术应用于超大功率二维半导体列阵锁相时，在倾斜适配角度的外腔镜使列阵选择基超模震荡后，虽然冷却子系统能够保障列阵持续工作，但残余热效应仍然会使得外腔形变不断加剧，再加上平台震动等，导致最高阶超模震荡。因此，必须对超大功率二维半导体列阵采取稳模措施，以使列阵能够稳定地震荡于基超模，输出高质量激光束，为此，本发明给出了一种超大功率半导体列阵外腔形变补偿量获取技术，

发明内容

本发明针对的技术问题描述：当半导体列阵采用1/4Talbot外腔镜技术锁相时，在其外腔镜由垂直于发光单元的位置偏转β＝λ/2d后，外腔镜将发光单元发出的最高阶超模光反射并成像于发光单元间，从而，腔内损耗极大，同时，将发光单元发出的基超模光反射并成像于发光单元内，因而列阵将选择基超模震荡，列阵及相应光场分布如图1所示。但是，对于超大功率二维半导体列阵，在采用此技术锁相时，虽然列阵的冷却子系统能够保障列阵持续工作，随着列阵输出功率的增加，由于残余热效应等作用于外腔镜，将引起β漂移，对于光发区慢轴宽度为S的任意一个发光单元，当β漂移超过Sλ/2d²时，超过一半的基超模反射光将成像于发光单元之间，导致最高阶超模占优；当β漂移超过((d-S)λ)/2d²时，超过一半的最高阶超模反射光将成像于发光孔中，也将导致最高阶超模占优，为保障列阵恒定不变地震荡于基超模，必须及时地补偿外腔镜形变引起的β漂移，而外腔形变补偿量获取是成功补偿的系统输入源泉，对于补偿操作而言，是决定成败的关键第一步。

本发明针对的技术问题解决办法：随着列阵输出基超模激光功率的增大，由于残余热效应、以及运行环境等给列阵锁相带来的影响，引起1/4Talbot外腔镜技术锁相半导体列阵的外腔镜形变，导致β发生近似对称性的双向漂移，本发明针对性地采用双路锁相稳定伺服系统，即与CCD1相关锁相稳定伺服子系统和与CCD2相关锁相稳定伺服子系统，各实时测量β一个方向的漂移量，并分别适时补偿之，克服β一个方向漂移对锁相稳定性的影响。两路探测补偿子系统联合探测补偿，使列阵稳定地与运行于基超模。