線陣激光相干鏡及其制備方法
【專利摘要】線陣激光相干鏡及其制備方法屬于激光相干耦合【技術領域】，目的在于解決現(xiàn)有技術存在的線陣激光相干性差、穩(wěn)定性差、功率低和成本高的問題。本發(fā)明的線陣激光相干鏡包括交替連接的n個衍射光柵和n+1個光波導，在由衍射光柵和光波導構成的結(jié)構兩側(cè)，制備波導反射結(jié)構。線陣激光相干鏡制備方法，首先，由晶體生長法或薄膜制作法制備光波導；其次，在步驟一中制備得到的光波導上采用生長方法或者刻蝕方法制備與實際應用的線陣激光器的間隔和占空比相同的衍射光柵；最后，在最外側(cè)的光波導上通過刻蝕方法制作能夠高效反射波導內(nèi)光學模式的波導反射結(jié)構。本發(fā)明利用衍射光柵實現(xiàn)光子相互注入和鎖相，從而實現(xiàn)光學相干，提高出光亮度并窄化線寬。
【專利說明】線陣激光相干鏡及其制備方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于激光相干耦合【技術領域】，具體涉及一種對線陣激光器中的各個出光單元進行鎖相相干的線陣激光相干鏡及其制備方法。

【背景技術】
[0002]線陣激光相比于激光器單管，由于可以獲得較高功率，被廣泛的應用，但是，隨著科技發(fā)展，越來越多的領域?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。
[0003]一般的線陣激光，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，這就導致了出射激光線寬較寬，模式特性差，遠場發(fā)散角大，亮度低，不能實現(xiàn)鎖相的缺點，限制了其應用。針對一般線陣激光，通過減小條寬來實現(xiàn)單側(cè)模，通過額外制備081？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，對光學系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求很高。
[0004]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?，F(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；
[0005]內(nèi)部耦合鎖相是靠相鄰兩個單元光場的相互作用實現(xiàn)鎖相，包括消逝場耦合、反波導耦合等，但單元間的相互作用復雜，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；
[0006]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，實現(xiàn)不同光束的相互作用，但是該技術對濾波器的要求高，光路復雜，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，并且實現(xiàn)鎖相的單元數(shù)量較少，效率較低。
[0007]因此，需要研制出一種適用于線陣激光實現(xiàn)高功率、高相干性，且制作工藝簡單、性能穩(wěn)定、成本低、易推廣的線陣激光相干鏡裝置。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提出一種線陣激光相干鏡及其制備方法，解決現(xiàn)有技術存在的線陣激光相干性差、穩(wěn)定性差、功率低和成本高的問題。
[0009]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的線陣激光相干鏡包括交替連接的II個衍射光柵和11+1個光波導，在由衍射光柵和光波導構成的結(jié)構兩側(cè)，制備波導反射結(jié)構。
[0010]所述II的取值范圍為:11彡1。
[0011]所述衍射光柵是在光波導上生長得到或刻蝕得到。
[0012]波導反射結(jié)構為可以用于對光波導內(nèi)傳輸?shù)墓鈱W模式進行反射的光學結(jié)構。
[0013]波導反射結(jié)構為光柵結(jié)構、光子晶體結(jié)構、光學槽結(jié)構、反射鏡結(jié)構或反射膜系統(tǒng)結(jié)構。
[0014]所述的衍射光柵的形狀為矩形光柵、閃耀光柵、梯形光柵、正弦光柵或復合光柵；所述的衍射光柵的材料為介質(zhì)、薄膜系統(tǒng)、金屬或半導體。
[0015]所述的光波導的材料為單層或多層介質(zhì)、薄膜系統(tǒng)、半導體或金屬；所述的光波導的結(jié)構為單層結(jié)構、內(nèi)部全反射結(jié)構、布拉格分布反饋結(jié)構、多層膜結(jié)構或表面等離子體波導結(jié)構。
[0016]線陣激光相干鏡制備方法，包括以下步驟:
[0017]步驟一:針對所用線陣激光器的波段，選取該波段透明的材料，通過晶體生長法或薄膜制作法制備無衍射損耗和散射損耗的光波導，光波導的尺寸和結(jié)構應使得其本身的截止頻率小于所選波段；
[0018]步驟二:在步驟一中制備得到的光波導上通過刻蝕技術或生長技術制備與實際應用的線陣激光器的間隔和占空比相同的衍射光柵；
[0019]其中:占空比定義為激光器線陣中，激光出射區(qū)域和無激光出射區(qū)域的比值；
[0020]步驟三:在最外側(cè)的光波導上通過刻蝕方法制作能夠反射波導內(nèi)光學模式的波導反射結(jié)構，得到線陣激光相干鏡。
[0021]所述制備方法還包括步驟四:在步驟三中制備得到的線陣激光相干鏡上進行化學處理或者制作保護層。
[0022]步驟一中所述的光波導可以是在3102襯底上制備，或者集成在光學系統(tǒng)中線陣激光器以及其他光學元件表面或內(nèi)部。
[0023]在光波導上通過刻蝕技術制備得到的衍射光柵的深度小于等于光波導的厚度。
[0024]根據(jù)實際工藝條件可以調(diào)整步驟二和步驟三的順序，線陣激光相干鏡的制備方法，包括以下步驟:
[0025]步驟一:針對所用線陣激光器的波段，選取該波段透明的材料，通過晶體生長法或薄膜制作法制備無衍射損耗和散射損耗的光波導，光波導的尺寸和結(jié)構應使得其本身的截止頻率小于所選波段；
[0026]步驟二:設計上指定需要制作衍射光柵的位置和與之相連的光波導的位置，在最外側(cè)的光波導上通過刻蝕方法制作能夠反射波導內(nèi)光學模式的波導反射結(jié)構；
[0027]步驟三:在步驟二中的光波導中指定位置上通過刻蝕技術或生長技術制備與實際應用的線陣激光器的間隔和占空比相同的衍射光柵，得到線陣激光相干鏡；
[0028]其中:占空比定義為激光器線陣中，激光出射區(qū)域和無激光出射區(qū)域的比值。
[0029]所述制備方法還包括步驟四:在步驟三中制備得到的線陣激光相干鏡上進行化學處理或者制作保護層。
[0030]步驟一中所述的光波導可以是在3102襯底上制備，或者集成在光學系統(tǒng)中線陣激光器以及其他光學元件表面或內(nèi)部；
[0031]在光波導上通過刻蝕技術制備得到的衍射光柵的深度小于等于光波導的厚度。
[0032]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明的線陣激光相干鏡及其制備方法的結(jié)構簡單便于制備，可變參數(shù)多可以滿足各種實際情況的需求，還可以集成在其他光學元件表面或者內(nèi)部從而提高光學系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用本發(fā)明的線陣激光，由于光波導的尺寸和位置是可以調(diào)整的，因而可以酌情利用內(nèi)部耦合鎖相或外部耦合鎖相原理。當線陣激光相干鏡制作在線陣激光器內(nèi)部時，利用了內(nèi)部耦合鎖相原理，相比于傳統(tǒng)的內(nèi)部耦合鎖相結(jié)構，可以不拘泥于相干激光單元之間的距離、尺寸以及線陣激光器發(fā)光點個數(shù)，克服了傳統(tǒng)內(nèi)部耦合鎖相對發(fā)光點個數(shù)和距離的限制，理論上可實現(xiàn)無窮多個線陣激光器發(fā)光點間的相干鎖相。當線陣激光相干鏡制作在線陣激光器外部的光學系統(tǒng)中時，則利用外部耦合鎖相原理，由于其結(jié)構簡單，可以集成于其他光學元件上，相比于傳統(tǒng)的外部耦合鎖相結(jié)構，鎖相單元數(shù)量也不受限制，相干效率高，可以實現(xiàn)大功率情況下的線陣激光器中發(fā)光單元的光子相互注入和鎖相，從而實現(xiàn)光學相干。由公知常識可知，在線陣激光器中，參與相干鎖相的激光單元越多，出光功率越高，并且隨著參與光學相干的諧振腔增多，激光模式特性越趨于單一化，線寬越窄，出光的光束質(zhì)量由于時間和空間相干性的提高，容易獲得更高光束質(zhì)量和更小的發(fā)散角，從而提高線陣激光器的輸出亮度，因而采用本發(fā)明所示的線陣激光相干鏡，能夠更容易的現(xiàn)高功率、高光束質(zhì)量出光的目的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1為本發(fā)明的線陣激光相干鏡的結(jié)構俯視圖；
[0034]圖2為本發(fā)明的線陣激光相干鏡的工作原理圖；
[0035]圖3為本發(fā)明的線陣激光相干鏡制備方法流程圖；
[0036]其中:1、衍射光柵,2、光波導，3、波導反射結(jié)構，(￡1)、入射光，⑶、反射光，⑷、透射光，(山、衍射光，03’〉、注入光，化’〉、出射光，〉、返回光。

【具體實施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作進一步說明。
[0038]實施例一:
[0039]參見附圖1，本發(fā)明的線陣激光相干鏡包括交替連接的II個衍射光柵1和11+1個光波導2，在由衍射光柵1和光波導2構成的結(jié)構兩側(cè)，制備波導反射結(jié)構3 ；衍射光柵1可以對所選波段的激光進行衍射，光波導2處在截止頻率以上，可以實現(xiàn)該波段激光的光學模式傳輸，波導反射結(jié)構3可以反射光波導2中光學模式。
[0040]所述I！的取值范圍為:11彡1。
[0041]所述衍射光柵1是在光波導2上生長得到或刻蝕得到。
[0042]波導反射結(jié)構3為可以用于對光波導2內(nèi)傳輸?shù)墓鈱W模式進行反射的光學結(jié)構。
[0043]波導反射結(jié)構3為光柵結(jié)構、光子晶體結(jié)構、光學槽結(jié)構、反射鏡結(jié)構或反射膜系統(tǒng)結(jié)構。
[0044]所述的衍射光柵1的形狀為矩形光柵、閃耀光柵、梯形光柵、正弦光柵或復合光柵；所述的衍射光柵1的材料為介質(zhì)、薄膜系統(tǒng)、金屬或半導體。
[0045]所述的光波導2的材料為單層或多層介質(zhì)、薄膜系統(tǒng)、半導體或金屬；所述的光波導2的結(jié)構為單層結(jié)構、內(nèi)部全反射結(jié)構、布拉格分布反饋結(jié)構、多層膜結(jié)構或表面等離子體波導結(jié)構。
[0046]所述的線陣激光相干鏡，其應用領域主要是線陣激光器，也可以單獨應用于單管激光，以實現(xiàn)單管激光自身內(nèi)部間的鎖相和相干出光。
[0047]所述的線陣激光相干鏡，其使用位置可以集成在線陣激光的芯片內(nèi)部或出光面，也可以集成在后續(xù)光學系統(tǒng)的某個光學元件上或者單獨使用。
[0048]參見附圖3，實際情況為間隔500 ^ %占空比為1:2的980=0波長線陣激光器的線陣激光相干鏡制備方法，包括以下步驟:
[0049]步驟一:由氣相沉積法在3102襯底上制備278=111厚的313隊薄膜作為光波導2，該尺寸的31八薄膜作為光波導2，可以支持980=0波段的激光光子沿著光波導2傳播而不會被波導截止，并能夠收集衍射光柵1衍射的光子轉(zhuǎn)化成為光波導2內(nèi)傳輸?shù)墓鈱W模式，光子在光波導2中傳輸時無衍射損耗和散射損耗,傳輸損耗也幾乎為零；
[0050]步驟二:在步驟一中制備得到的光波導2上采用電子束或全息曝光技術刻蝕周期為49011111、深度為7811111的衍射光柵1，衍射光柵1的間隔為500 4 III，占空比為1:2，填充因子為0.5，填充因子定義為光柵一個周期內(nèi)，光柵微結(jié)構所占尺寸與光柵周期的比值；
[0051]步驟三:在最外側(cè)的光波導2上通過電子束刻蝕方法制作正方形陣列的光子晶體結(jié)構，作為波導反射結(jié)構3，打孔周期為367=%選取圓柱型作為孔的形狀，孔的直徑為245^,孔的深度為27011%進而得到線陣激光相干鏡。
[0052]步驟四:根據(jù)所選激光器功率和實際應用需求，可以在步驟三中所述的線陣激光相干鏡上進行化學處理或者制作保護層，以起到保護線陣激光相干鏡的作用，延長其使用壽命。
[0053]參見附圖2，本發(fā)明的工作原理為:衍射光柵1的將入射到激光線陣相干鏡的入射光(幻進行衍射，使之一部分返回成為反射光化)，一部分透射成為透射光化)，一部分衍射進入光波導中成為衍射光(山。衍射光((1)經(jīng)過光波導傳遞到其它衍射光柵時，衍射光(山將重新被衍射光柵調(diào)制，一部分成為注入到線陣激光其它出光單元的注入光03’)，一部分成為其它衍射光柵上的出射光化’)，實現(xiàn)不同的線陣激光出光單元之間的光注入和鎖相。
[0054]光波導2將不同的衍射光柵產(chǎn)生的衍射光((1)向其它衍射光柵傳遞。
[0055]波導反射結(jié)構3的可以對光波導2內(nèi)的衍射光((1)進行反射使之成為重新返回光學系統(tǒng)的返回光),從而進一步實現(xiàn)光子的相互注入和鎖相相干，還可以盡可能減小沒有激射在外界的衍射光形成的不必要損耗。
[0056]實施例二:
[0057]本實施例與實施例一的區(qū)別在于，根據(jù)實際工藝條件，互換步驟二和步驟三的順序。互換后得到的制備方法包括以下步驟:
[0058]步驟一:針對所用線陣激光器的波段，選取該波段透明的材料，通過晶體生長法或薄膜制作法制備無衍射損耗和散射損耗的光波導2，光波導2的尺寸和結(jié)構應使得其本身的截止頻率小于所選波段；
[0059]步驟二:設計上指定需要制作衍射光柵(1)的位置和與之相連的光波導(2)的位置，在最外側(cè)的光波導2上通過刻蝕方法制作能夠反射波導內(nèi)光學模式的波導反射結(jié)構3 ；
[0060]步驟三:在步驟二中的光波導2中指定位置上通過刻蝕技術或生長技術制備與實際應用的線陣激光器的間隔和占空比相同的衍射光柵1，得到線陣激光相干鏡；
[0061]其中:占空比定義為激光器線陣中，激光出射區(qū)域和無激光出射區(qū)域的比值；
[0062]所述制備方法還包括步驟四:在步驟三中制備得到的線陣激光相干鏡上進行化學處理或者制作保護層。
[0063]步驟一中所述的光波導2可以是在3102襯底上制備，或者集成在光學系統(tǒng)中線陣激光器以及其他光學元件表面或內(nèi)部；
[0064]在光波導2上通過刻蝕技術制備得到的衍射光柵1的深度小于等于光波導2的厚度。
【權利要求】
1.線陣激光相干鏡，其特征在于，包括交替連接的η個衍射光柵(I)和η+1個光波導(2)，在由衍射光柵⑴和光波導(2)構成的結(jié)構兩側(cè)，制備有波導反射結(jié)構(3)。
2.根據(jù)權利要求1所述的線陣激光相干鏡，其特征在于，所述η的取值范圍為:η> I ; 所述衍射光柵(I)是在光波導(2)上生長得到或刻蝕得到； 所述波導反射結(jié)構(3)為可以用于對光波導(2)內(nèi)傳輸?shù)墓鈱W模式進行反射的光學結(jié)構。
3.根據(jù)權利要求2所述的線陣激光相干鏡，其特征在于，波導反射結(jié)構(3)為光柵結(jié)構、光子晶體結(jié)構、光學槽結(jié)構、反射鏡結(jié)構或反射膜系統(tǒng)結(jié)構。
4.根據(jù)權利要求1所述的線陣激光相干鏡，其特征在于，所述的衍射光柵(I)的形狀為矩形光柵、閃耀光柵、梯形光柵、正弦光柵或復合光柵；所述的衍射光柵(I)和光波導(2)的材料為介質(zhì)、薄膜系統(tǒng)、金屬或半導體；所述的光波導(2)的結(jié)構為單層結(jié)構、內(nèi)部全反射結(jié)構、布拉格分布反饋結(jié)構、多層膜結(jié)構或表面等離子體波導結(jié)構。
5.基于權利要求1所述的線陣激光相干鏡的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一:針對所用線陣激光器的波段，選取該波段透明的材料，通過晶體生長法或薄膜制作法制備無衍射損耗和散射損耗的光波導(2)，光波導(2)的尺寸和結(jié)構應使得其本身的截止頻率小于所選波段； 步驟二:在步驟一中制備得到的光波導(2)上通過刻蝕技術或生長技術制備與實際應用的線陣激光器的間隔和占空比相同的衍射光柵(I); 其中:占空比定義為激光器線陣中，激光出射區(qū)域和無激光出射區(qū)域的比值； 步驟三:在最外側(cè)的光波導(2)上通過刻蝕方法制作能夠反射波導內(nèi)光學模式的波導反射結(jié)構(3)，得到線陣激光相干鏡。
6.根據(jù)權利要求5所述的線陣激光相干鏡的制備方法，其特征在于，所述制備方法還包括步驟四:在步驟三中制備得到的線陣激光相干鏡上進行化學處理或者制作保護層。
7.根據(jù)權利要求5所述的線陣激光相干鏡的制備方法，其特征在于，步驟一中所述的光波導(2)可以是在S12襯底上制備，或者集成在光學系統(tǒng)中線陣激光器以及其他光學元件表面或內(nèi)部； 在光波導(2)上通過刻蝕技術制備得到的衍射光柵(I)的深度小于等于光波導(2)的厚度。
8.基于權利要求1所述的線陣激光相干鏡的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一:針對所用線陣激光器的波段，選取該波段透明的材料，通過晶體生長法或薄膜制作法制備無衍射損耗和散射損耗的光波導(2)，光波導(2)的尺寸和結(jié)構應使得其本身的截止頻率小于所選波段； 步驟二:設計上指定需要制作衍射光柵(I)的位置和與之相連的光波導(2)的位置，在最外側(cè)的光波導(2)上通過刻蝕方法制作能夠反射波導內(nèi)光學模式的波導反射結(jié)構(3)；步驟三:在步驟二中的光波導(2)中指定位置上通過刻蝕技術或生長技術制備與實際應用的線陣激光器的間隔和占空比相同的衍射光柵(I)，得到線陣激光相干鏡； 其中:占空比定義為激光器線陣中，激光出射區(qū)域和無激光出射區(qū)域的比值。
9.根據(jù)權利要求8所述的線陣激光相干鏡的制備方法，其特征在于，所述制備方法還包括步驟四:在步驟三中制備得到的線陣激光相干鏡上進行化學處理或者制作保護層。
10.根據(jù)權利要求8所述的線陣激光相干鏡的制備方法，其特征在于，步驟一中所述的光波導(2)可以是在S12襯底上制備，或者集成在光學系統(tǒng)中線陣激光器以及其他光學元件表面或內(nèi)部； 在光波導(2)上通過刻蝕技術制備得到的衍射光柵(I)的深度小于等于光波導(2)的厚度。
【文檔編號】H01S3/10GK104300350SQ201410508751
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月26日 優(yōu)先權日:2014年9月26日
【發(fā)明者】陳泳屹, 秦莉, 寧永強, 王立軍, 佟存柱, 劉云 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所