[发明专利]激光器阵列相干器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于激光相干耦合技术领域，具体涉及一种对激光器阵列中的各个出光单元进行锁相相干的激光器阵列相干器及其制备方法。

背景技术

激光器阵列相比于激光器单管和线阵激光器，由于可以获得较高功率，被广泛的应用于工业加工、泵浦源等领域，但是，随着科技发展，越来越多的领域对高光束质量、高亮度、窄线宽、高相干度的高功率激光的需求不断增长。

一般的激光器阵列，由于不能够实现线阵中各个出光单元间的光子相互注入，因而不存在相干性，这就导致了出射激光线宽较宽，模式特性差，远场发散角大，亮度低，不能实现锁相的缺点，限制了其应用。针对一般激光器阵列，通过减小条宽来实现单侧模，通过额外制备DBR光栅来窄化线宽，通过额外添加外腔镜来增加相干性，但却大大降低了激光器的功率，并且工艺步骤多而繁杂，对光学系统的稳定性要求很高。

为了得到高功率、高相干性的激光，锁相激光器阵列被广泛研究。现有的锁相方式主要分为两类：内部耦合锁相和外部耦合锁相；

内部耦合锁相是靠相邻两个单元光场的相互作用实现锁相，包括消逝场耦合、反波导耦合等，但现有的内部耦合锁相技术单元间的相互作用复杂，间距较难控制，且耦合单元不能太多，这就限制了更高功率的输出光；

外部耦合锁相主要有外腔锁相和种子注入锁相；一般的外腔锁相通过在外腔中放置滤波器，实现不同光束的相互作用，但是现有的外部锁相技术对滤波器的要求高，光路复杂，能量损失较大；而种子注入锁相需要一个额外的输出高质量激光的主激光器，以及昂贵的光隔离器，并且实现锁相的单元数量较少，效率较低。

因此，需要研制出一种适用于激光器阵列实现高功率、高相干性，且制作工艺简单、性能稳定、成本低、易推广的激光器阵列相干器装置。

发明内容

本发明的目的在于提出一种激光器阵列相干器及其制备方法，解决现有技术存在的激光器阵列相干性差、稳定性差、功率低和成本高的问题。

为实现上述目的，本发明的激光器阵列相干器包括由光子桥连接的出光面阵列，所述出光面上制备有二维衍射光子晶体，所述激光器阵列相干器在二维衍射光子晶体的外围或整体的外围制备有光子反射器。

所述光子桥可以是在SiO₂衬底上制备，或者集成在光学系统中其他光学元件表面或内部；所述二维衍射光子晶体是在出光面上生长得到或刻蚀得到；所述光子反射器为光栅、光子晶体、光学槽、反射镜或反射膜系统。

所述的光子桥的材料为在出光面阵列之间，可传播所用波段光子的介质材料、半导体材料或金属材料；所述光子桥的结构为单层结构、内部全反射结构、布拉格分布反馈结构、多层膜结构或表面等离子体波导结构；所述二维衍射光子晶体的形状为平行四边形排列、菱形排列、矩形排列、正方型排列、周期性曲线排列、同心圆排列或共焦点曲线排列的各种孔洞或突起；所述的二维衍射光子晶体的材料为在出光面阵列之间，可传播所用波段光子的介质材料、半导体材料或金属材料。

所述出光面阵列与激光器阵列排列一致，可以是平行四边形阵列、菱形阵列、矩形阵列、正方型阵列、周期性曲线阵列、同心圆阵列或共焦点曲线阵列。

激光阵列相干器用于激光器内部，实现内部耦合锁相的相干方式时，制备方法包括以下步骤：

步骤一：制备激光器阵列芯片时，确定光子桥和出光面所在激光器芯片内部所处的介质层以及光子桥、出光面、二维衍射光子晶体和光子反射器的具体位置；

步骤二：在步骤一中确定得到的位置上，配合使用光刻以及刻蚀方法，制备光子桥和出光面；光子桥的尺寸和结构保证二者本身的截止频率小于所选波段；所述出光面的排布方式与实际应用的激光器阵列的排布方式相同；所述光子桥所处的激光器芯片部分是电绝缘的；

步骤三：在步骤二中得到的出光面上通过刻蚀技术或生长技术制备二维衍射光子晶体，在二维衍射光子晶体的外围或整体的外围通过刻蚀方法制作能够反射光子桥内光学模式的光子反射器，得到激光器阵列相干器。

所述制备方法还包括步骤四：在步骤三中制备得到的激光器阵列相干器上进行化学处理、制作保护层、制备电极或者进行二次外延继续制备激光阵列芯片。

激光阵列相干器用于激光器内部，实现内部耦合锁相的相干方式时，制备方法包括以下步骤：

步骤一：制备激光器阵列芯片时，确定光子桥和出光面所在激光器芯片内部所处的介质层以及光子桥、出光面、二维衍射光子晶体和光子反射器的具体位置；

步骤二：在步骤一中确定得到的位置上通过刻蚀技术或生长技术制备二维衍射光子晶体，通过刻蚀方法制作能够反射光子桥内光学模式的光子反射器；