[發(fā)明專利]激光器陣列相干器及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410508727.0
• 申請日: 2014-09-26
• 公開（公告）號: CN104393485B
• 公開（公告）日: 2017-10-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳泳屹;秦莉;王立軍;寧永強(qiáng);劉云;佟存柱
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
• 主分類號: H01S5/14
• 分類號: H01S5/14;H01S5/40
• 代理公司: 長春菁華專利商標(biāo)代理事務(wù)所(普通合伙)22210
• 代理人: 南小平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光相干耦合技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種對激光器陣列中的各個出光單元進(jìn)行鎖相相干的激光器陣列相干器及其制備方法。

背景技術(shù)

激光器陣列相比于激光器單管和線陣激光器，由于可以獲得較高功率，被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)加工、泵浦源等領(lǐng)域，但是，隨著科技發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域?qū)Ω吖馐|(zhì)量、高亮度、窄線寬、高相干度的高功率激光的需求不斷增長。

一般的激光器陣列，由于不能夠?qū)崿F(xiàn)線陣中各個出光單元間的光子相互注入，因而不存在相干性，這就導(dǎo)致了出射激光線寬較寬，模式特性差，遠(yuǎn)場發(fā)散角大，亮度低，不能實(shí)現(xiàn)鎖相的缺點(diǎn)，限制了其應(yīng)用。針對一般激光器陣列，通過減小條寬來實(shí)現(xiàn)單側(cè)模，通過額外制備DBR光柵來窄化線寬，通過額外添加外腔鏡來增加相干性，但卻大大降低了激光器的功率，并且工藝步驟多而繁雜，對光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求很高。

為了得到高功率、高相干性的激光，鎖相激光器陣列被廣泛研究。現(xiàn)有的鎖相方式主要分為兩類：內(nèi)部耦合鎖相和外部耦合鎖相；

內(nèi)部耦合鎖相是靠相鄰兩個單元光場的相互作用實(shí)現(xiàn)鎖相，包括消逝場耦合、反波導(dǎo)耦合等，但現(xiàn)有的內(nèi)部耦合鎖相技術(shù)單元間的相互作用復(fù)雜，間距較難控制，且耦合單元不能太多，這就限制了更高功率的輸出光；

外部耦合鎖相主要有外腔鎖相和種子注入鎖相；一般的外腔鎖相通過在外腔中放置濾波器，實(shí)現(xiàn)不同光束的相互作用，但是現(xiàn)有的外部鎖相技術(shù)對濾波器的要求高，光路復(fù)雜，能量損失較大；而種子注入鎖相需要一個額外的輸出高質(zhì)量激光的主激光器，以及昂貴的光隔離器，并且實(shí)現(xiàn)鎖相的單元數(shù)量較少，效率較低。

因此，需要研制出一種適用于激光器陣列實(shí)現(xiàn)高功率、高相干性，且制作工藝簡單、性能穩(wěn)定、成本低、易推廣的激光器陣列相干器裝置。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種激光器陣列相干器及其制備方法，解決現(xiàn)有技術(shù)存在的激光器陣列相干性差、穩(wěn)定性差、功率低和成本高的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的激光器陣列相干器包括由光子橋連接的出光面陣列，所述出光面上制備有二維衍射光子晶體，所述激光器陣列相干器在二維衍射光子晶體的外圍或整體的外圍制備有光子反射器。

所述光子橋可以是在SiO₂襯底上制備，或者集成在光學(xué)系統(tǒng)中其他光學(xué)元件表面或內(nèi)部；所述二維衍射光子晶體是在出光面上生長得到或刻蝕得到；所述光子反射器為光柵、光子晶體、光學(xué)槽、反射鏡或反射膜系統(tǒng)。

所述的光子橋的材料為在出光面陣列之間，可傳播所用波段光子的介質(zhì)材料、半導(dǎo)體材料或金屬材料；所述光子橋的結(jié)構(gòu)為單層結(jié)構(gòu)、內(nèi)部全反射結(jié)構(gòu)、布拉格分布反饋結(jié)構(gòu)、多層膜結(jié)構(gòu)或表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；所述二維衍射光子晶體的形狀為平行四邊形排列、菱形排列、矩形排列、正方型排列、周期性曲線排列、同心圓排列或共焦點(diǎn)曲線排列的各種孔洞或突起；所述的二維衍射光子晶體的材料為在出光面陣列之間，可傳播所用波段光子的介質(zhì)材料、半導(dǎo)體材料或金屬材料。

所述出光面陣列與激光器陣列排列一致，可以是平行四邊形陣列、菱形陣列、矩形陣列、正方型陣列、周期性曲線陣列、同心圓陣列或共焦點(diǎn)曲線陣列。

激光陣列相干器用于激光器內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部耦合鎖相的相干方式時，制備方法包括以下步驟：

步驟一：制備激光器陣列芯片時，確定光子橋和出光面所在激光器芯片內(nèi)部所處的介質(zhì)層以及光子橋、出光面、二維衍射光子晶體和光子反射器的具體位置；

步驟二：在步驟一中確定得到的位置上，配合使用光刻以及刻蝕方法，制備光子橋和出光面；光子橋的尺寸和結(jié)構(gòu)保證二者本身的截止頻率小于所選波段；所述出光面的排布方式與實(shí)際應(yīng)用的激光器陣列的排布方式相同；所述光子橋所處的激光器芯片部分是電絕緣的；

步驟三：在步驟二中得到的出光面上通過刻蝕技術(shù)或生長技術(shù)制備二維衍射光子晶體，在二維衍射光子晶體的外圍或整體的外圍通過刻蝕方法制作能夠反射光子橋內(nèi)光學(xué)模式的光子反射器，得到激光器陣列相干器。

所述制備方法還包括步驟四：在步驟三中制備得到的激光器陣列相干器上進(jìn)行化學(xué)處理、制作保護(hù)層、制備電極或者進(jìn)行二次外延繼續(xù)制備激光陣列芯片。

激光陣列相干器用于激光器內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部耦合鎖相的相干方式時，制備方法包括以下步驟：

步驟一：制備激光器陣列芯片時，確定光子橋和出光面所在激光器芯片內(nèi)部所處的介質(zhì)層以及光子橋、出光面、二維衍射光子晶體和光子反射器的具體位置；

步驟二：在步驟一中確定得到的位置上通過刻蝕技術(shù)或生長技術(shù)制備二維衍射光子晶體，通過刻蝕方法制作能夠反射光子橋內(nèi)光學(xué)模式的光子反射器；