本實用新型涉及激光器技術領域，具體涉及一種減小自混合干涉效應的激光器系統(tǒng)。

背景技術：

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、科學研究及社會生活等領域發(fā)揮了獨特而至關重要的作用。但是在一些對激光器穩(wěn)定性要求比較高的情況，因為外界發(fā)射激光或者激光器窗口、光束整形元件或者其他的部分構成的激光的發(fā)射，會耦合到激光器的諧振腔中，形成自混合干涉效應，較少的耦合反射光輝造成激光器的不穩(wěn)定性能。如果耦合反射光較強，自混合干涉效應使得激光器自身諧振腔受到破壞，會直接影響激光器的使用壽命。

單模激光二極管（例如，一種運用二極管在發(fā)射波長方面的可調整性的DFB或VCSEL激光二極管），很容易產生輸出功率的極短時間內的功率的不穩(wěn)定性，因為利用高濃度的載流子，所以載流子的濃度的起伏會影響有源區(qū)的折射率，諧振器的長度較短，并且還采用了低反射率的解理面（cleavage plane），所述激光器振蕩器部分容易受到外部反射光的影響。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，整個過程反復重復進行，增加了激光器本身輸出的不穩(wěn)定性，從而在應用過程中不能達到高靈敏度的檢查或應用。

實用新型專利CN102195233A闡述了一種應用動態(tài)調節(jié)的方式降低自混合干涉效應的方法，出了用于周期性改變光學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。光學元件的振蕩運動具有對由殼中激光束的背反射導致的標準具效應和自混合效應進行時間平均的效果，由此降低激光二極管結構的光學噪聲。該方法可以減小自混合干涉效應帶來的激光器系統(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)元件提供動力的驅動電路，同樣也會造成系統(tǒng)的冗余和不確定性。

技術實現要素：

本實用新型的目的就是為了解決現有技術中存在的上述問題，依靠諧振腔內光子和載流子的關系，通過改變諧振腔內平衡， 能夠有效的控制自混合干涉效應帶來的激光器系統(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)的一種減小自混合干涉效應的激光器系統(tǒng)。

本實用新型的目的通過以下技術方案來實現：一種減小自混合干涉效應的激光器系統(tǒng)，包括一沿光軸z方向放置的激光器，還包括與所述激光器間隙設置的直流偏置電路和調制信號發(fā)生器，所述激光器內設有一諧振腔，所述激光器與所述直流偏置電路和所述調制信號發(fā)生器電性連接，所述直流偏置電路用于驅動所述激光器，為所述激光器提供泵浦用的載流子，所述直流偏置電路為一低通直流回路，所述低通直流回路包括DC電源，所述DC電源的正極與所述激光器的陰極連接，所述DC電源的負極通過電感與所述激光器的陽極連接，所述調制信號發(fā)生器將調制信號和激光器自身的寄生參數匹配，以改變激光器諧振腔內光子的分布狀態(tài)。

優(yōu)選地，還包括一與所述激光器間隙設置的用于引導激光光束和/或對激光光束整形的光學元件。

優(yōu)選地，所述直流偏置電路和所述調制信號發(fā)生器注入所述激光器，所述調制信號發(fā)生器輸出的調制信號與激光器自身的寄生參數構成共振關系，諧振腔輸出激光模式增加，影響激光器已經平衡的光子的分布的狀態(tài)，經過該狀態(tài)的光子再和外部反射激光、光學元件的反射激光與激光器返回光相遇產生自混合干涉效應，所述激光器進而輸出穩(wěn)定的激光光束。

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

優(yōu)選地，所述寄生參數為寄生電容或寄生電阻。

優(yōu)選地，所述光學元件為一種衍射光學元件。

本實用新型技術方案的優(yōu)點主要體現在：從空間上和時間上都減小了因為自混合干涉效應而帶來的激光器短時間內的功率波動，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，進而有效的減小自混合干涉效應進而使得激光器本身的穩(wěn)定性降低。該激光器系統(tǒng)結構簡單，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、易組裝調節(jié)、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，可在產業(yè)中推廣應用。

附圖說明

參照附圖，本實用新型的公開內容將變得更易理解。本領域技術人員容易理解的是：這些附圖僅僅用于說明的目的，而并非意在對本實用新型的保護范圍構成限制。其中：

圖1是本實用新型實施例1激光器系統(tǒng)的結構示意圖；

圖2是本實用新型實施例2激光器系統(tǒng)的結構示意圖；

圖3是本實用新型直流偏置電路的電路結構示意圖；

圖4是本實用新型多量子阱激光器的交流等效電路示意圖；

圖5是本實用新型多量子阱激光器的等效電容和等效電阻參數對應圖；

圖6是未使用該實用新型激光器的相對光強分布圖；

圖7是本實用新型空間上激光器的相對光強分布圖；

圖8是未使用該實用新型的激光器結構原理圖；

圖9是本實用新型時間上激光器的結構原理圖。

具體實施方式

本實用新型的目的、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。這些實施例僅是應用本實用新型技術方案的典型范例，凡采取等同替換或者等效變換而形成的技術方案，均落在本實用新型要求保護的范圍之內。

如圖1所示，一種減小自混合干涉效應的激光器系統(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置的直流偏置電路2和調制信號發(fā)生器3。所述激光器1內設有一諧振腔，所述諧振腔將泵浦用的載流子轉化為光子，并且受激輻射，形成穩(wěn)定的激光輸出。

如圖1所示，所述激光器1與所述直流偏置電路2和所述調制信號發(fā)生器3電性連接，具體地，所述直流偏置電路2的輸出端與激光器的電極連接，所述調制信號發(fā)生器3的輸出端與激光器的電極連接。所述直流偏置電路2和所述調制信號發(fā)生器3相當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化為光子，光子受激輻射產生激光。

所述直流偏置電路2用于驅動所述激光器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和激光器的電學參數匹配，所述直流偏置電路2可為線性電源或穩(wěn)定的開關電源，在本實施例中，所述直流偏置電路2優(yōu)選為線性電源。所述調制信號發(fā)生器3將調制信號和激光器自身的寄生參數匹配，以改變激光器諧振腔內光子的分布狀態(tài)，在本實施例中，所述寄生參數為寄生電容或寄生電阻。

如圖3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3所示，所述調制信號發(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信號源內阻抗，PCB走線構成，形成高頻通路，阻隔直流部分。在本技術方案中，所述調制信號發(fā)生器3可根據需要產生射頻范圍內的頻率，信號經過電容，走線耦合到激光器里，這里的耦合是指交流耦合，直接調制，射頻調制的頻率范圍從300KHz～300GHz之間，所述射頻調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間隙設置的用于引導激光光束和/或對激光光束整形的光學元件4（DOE）；所述光學元件4為一種衍射光學元件。所述衍射光學元件4的材料可為熔融石英、光學玻璃或光學樹脂材料，在本實施例中，所述衍射光學元件4的材料優(yōu)選為光學樹脂材料。之所以選用光學樹脂材料是因為光學樹脂具有以下優(yōu)點：光學樹脂不僅透明透光性好，在可見光區(qū)，光學樹脂的透光率和玻璃相似，在紅外光區(qū)，光學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，光學樹脂的沖擊力是玻璃的好幾倍，不易破碎，安全耐用。當然在工作過程中，也可選用光學玻璃，當在選用光學玻璃時，優(yōu)選為德國SCHOTT肖特公司生產的BK7玻璃，相當于國內的K9玻璃，BK7玻璃的具體參數如下：折射率 1.51680 ，耐酸性 1 ，K氏硬度 610。

所述衍射光學元件4由模壓或刻蝕工藝制成，所述衍射光學元件4適用于對Nd:YAG、CO2、飛秒激光器、半導體激光器等各種激光器進行光束整形，所述衍射光學元件4的主要應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）和用做天文學中的相位器件。

所述直流偏置電路2和所述調制信號發(fā)生器3注入激光器1，所述調制信號發(fā)生器2輸出的調制信號與激光器自身的寄生參數構成共振關系，諧振腔輸出激光模式增加，影響激光器已經平衡的光子的分布的狀態(tài)。所述調制信號部分要和激光器的自身參數相匹配，兩者在匹配過程中可以讓調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和所述調制信號發(fā)生器3注入激光器1后，所述激光器輸出激光光束101，所述激光光束101經過衍射光學元件后輸出激光光束102。

實施例1：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，有一個外部反射激光501，光學元件的返回的激光502，激光器返回的激光503，在精密化的測試結構中過程的返回光都是不可避免的，本質上501，502，503都是一樣的，都是返回的激光。本實用新型的主要目的是有效降低返回光對激光器穩(wěn)定性的影響。經過該狀態(tài)的光子再和外部反射激光501、光學元件的返回的激光502與激光器返回光503相遇產生自混合干涉效應，所述激光器1進而輸出穩(wěn)定的激光光束。

實施例2：如圖2所示，反射光由外界耦合到所述激光器1中，具體為：在激光光束傳輸過程中，有一個外部反射激光501，在精密化的測試結構中過程的返回光都是不可避免的，本質上501是返回的激光。本實用新型的主要目的是有效降低返回光對激光器穩(wěn)定性的影響。經過該狀態(tài)的光子再和外部反射激光501相遇產生自混合干涉效應，所述激光器1進而輸出穩(wěn)定的激光光束。

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鍵參數對多量子阱激光器頻率響應特性的影響。通過激光器的寄生電參數及其寄生電路對其頻率響應進行了分析，得到其寄生電路并發(fā)現其中寄生電容對調制寬度的影響較大，寄生電容與調制信號的電路匹配，可以提高信號的注入效率。

圖4為多量子阱激光器的交流等效電路示意圖；圖5為多量子阱激光器的等效電容和等效電阻參數對應圖。該多量子阱激光器載流子和光子的關系方程為：

。

根據上式可知，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；如果調制信號的參數和多量子阱激光器弛豫振蕩效率相關，過程中會影響激光器諧振腔內的模式的分布，可以穩(wěn)定的產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、光學元件等作用反射的激光耦合到激光器諧振腔中，自混合干涉效應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對激光器穩(wěn)定性的影響。

所述調制信號可為數字信號發(fā)生器或模擬信號發(fā)生器，在本實施例中，所述調制信號優(yōu)選為數字信號發(fā)生器，所述數字信號發(fā)生器為和激光器參數匹配的數字信號調制。所述調制信號的疊加，會平均單位探測時間內的外部反射的激光或者因為激光器窗口、衍射光學元件等作用的反射回的激光產生的自混合干涉效應的影響。由于調制信號的作用載流子和光子之間的轉換的滯后和光學調制的啁啾效應，進一步從時間上減小了自混合干涉效應對激光器穩(wěn)定性的影響。

圖7是一種空間上減小自混合干涉效應的激光器的相對光強分布圖，圖6為未使用該實用新型的相對光強分布圖；圖7為使用該實用新型的相對光強分布圖。從圖7中可以看出所述直流偏置電路2和所述調制信號發(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，諧振腔內載流子和光子的轉換關系改變，諧振腔內的激光器輸出的縱模的個數增加，體現到輸出光譜有譜寬的現象，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6未使用該實用新型的實例相比有很大的改善。

圖9是一種時間上減小自混合干涉效應的激光器結構原理圖，圖8為未使用該實用新型的實例，圖9為使用該實用新型的實例。從圖9中可以看出所述直流偏置電路2和所述調制信號發(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，諧振腔內載流子和光子的轉換關系改變，載流子和光子的轉換滯后效應和調制帶來的啁啾效應，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7未使用該實用新型的實例相比有很大的改善。

自混合干涉效應對激光的產生是很壞的影響，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自混合干涉效應而帶來的激光器短時間內的功率波動，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)自混合干涉效應的方法，包括以下步驟：

S1：將直流偏置電路和調制信號發(fā)生器分別與激光器的電極連接，所述直流偏置用于驅動激光器，為激光器提供泵浦用的載流子，所述激光器內設有一諧振腔，所述諧振腔將泵浦用的載流子轉化為光子，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制信號注入激光器，所述調制信號發(fā)生器輸出調制信號，所述調制信號和激光器自身的寄生參數匹配，以改變激光器諧振腔內光子的分布狀態(tài)；

激光器載流子和光子的關系方程為：

S2：通過激光器諧振腔匹配的載流子的注入，影響激光器已經平衡的光子的分布的狀態(tài)，讓經過該狀態(tài)后的光子再和外界反射光、激光器窗口或光學元件反射的激光相遇形成自混合干涉效應，提高激光器輸出激光的穩(wěn)定性。

所述寄生參數為寄生電容或寄生電阻，所述直流偏置電路和所述調制信號注入到激光器中，所述調制信號和所述寄生電容、所述寄生電阻構成共振關系，體現在光學輸出上為啁啾效應，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，多個模式的自混合干涉效應對激光器的影響小于等量的單個模式或少數模式的自混合干涉效應對激光器的影響，所述激光器進而輸出穩(wěn)定的激光光束。

該激光器系統(tǒng)結構簡單，在使用過程中簡便可行，依靠諧振腔光子和載流子的關系，通過改變諧振腔內平衡，可有效的減小自混合干涉效應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。

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

此外，應當理解，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方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。