可调谐激光器的光束共线调节系统及方法

技术领域

本申请涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及可调谐激光器的光束共线调节系统及方法。

背景技术

中红外可调谐激光器在民用、工业和军事领域都有很大的应用前景，很多应用中都需要光源光谱具有窄线宽、调谐范围宽以及连续可调的特点。现有的中红外可调谐量子激光器的光源模块可以分为三类，一是单个DFB（Distributed Feedback，分布式反馈）可调谐量子级联激光器，其优点是连续可调谐且光谱半高全宽很窄（小于0.2cm

连续可调谐线阵激光器普遍存在准直难度大以及单元器件之间的光束远场无法共线的问题，目前林肯实验室采用的中红外的光谱合成技术在一定程度上能够解决连续可调谐线阵激光器的准直和共线问题，但是，由于中红外光谱合成技术引入了光栅一类色散元件，会导致光束指向性收到激光器波长变化的影响，准直效果和远场共线效果不佳。

发明内容

为了解决以上问题的一个或多个，本申请提出可调谐激光器的光束共线调节系统及方法。

根据本申请的一个方面，提供了可调谐激光器的光束共线调节系统，包括：

中红外可调谐线阵激光器、准直元件、反射元件、位移装置、分束元件、聚焦元件、光强探测器和控制装置；

所述中红外可调谐线阵激光器包括至少两个激光单元；

所述准直元件和所述反射元件设置在位移装置上，所述准直元件用于将所述激光单元产生的光束变成平行光，所述反射元件用于将准直元件出射的平行光偏转90°后出射，所述准直元件和所述反射元件随着位移装置的线性运动而移动；

所述分束元件用于将所述反射元件的出射光分成两束，其中一束光沿分束前的光路传播，另外一束光通过聚焦元件汇聚成测量光束；

光强探测器用于根据汇聚的测量光束生成光电信号，传输至控制装置，

所述控制装置能够控制位移装置进行线性运动，并根据光强探测器发出的光电信号确定各激光单元对应的位移装置的共线位置。

根据本申请的另一个方面，提供了可调谐激光器的光束共线调节方法，应用以上任意一种可调谐激光器的光束共线调节系统，包括以下步骤：

步骤1：控制装置控制位移装置运动到初始位置a，

步骤2：第1个激光单元输出光，调整分束元件角度，使分束后的光在光强探测器上得到最大值，此时光强探测器上得到的最大值记为I

步骤3：控制装置控制位移装置进行线性运动，并根据光强探测器发出的光电信号确定各激光单元对应的位移装置的共线位置。

本申请公开的可调谐激光器的光束共线调节系统及方法，通过控制装置控制位移装置，带动准直元件和反射元件移动，控制装置根据分束后的光强强度进行计算，保证了位移装置位置的精准度，在保证单个激光单元准直效果的前提下，实现可调谐激光器中各激光单元的共线传播；可调谐激光器中各激光单元互相之间无影响，可以根据实际需求单独点亮。

附图说明

图1为本申请一实施例提供的可调谐激光器的光束共线调节系统的结构示意图。

图2为本申请一实施例提供的可调谐激光器的光束共线调节系统中第1个激光单元对应的位移装置位置与光强探测器检测光强的曲线图。

图3为本申请一实施例提供的可调谐激光器的光束共线调节系统中第i个激光单元对应的位移装置位置与光强探测器检测光强的曲线图。

图4为本申请一实施例提供的可调谐激光器的光束共线调节系统的共线调节过程中聚焦光斑与强度探测器探测面的位置关系示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“两端”、“两侧”、“底部”、“顶部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“上级”、“下级”、“主要”、“次级”等仅用于描述目的，可以简单地用于更清楚地区分不同的组件，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，也可以是一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1：

参考说明书附图1，本发明实施例提供了一种可调谐激光器的光束共线调节系统，包括：

中红外可调谐线阵激光器1、准直元件22、反射元件23、位移装置21、分束元件24、聚焦元件25、光强探测器26和控制装置27。

其中，中红外可调谐线阵激光器1包括至少两个激光单元，每个激光单元随着注入电流的变化能够实现波长的可调谐，设中红外可调谐线阵激光器中的激光单元有N个，N为不小于2的自然数，按照激光单元的排列顺序可以依次记为第1个激光单元，……，第N个激光单元。

准直元件22和反射元件23设置在位移装置21上，准直元件22用于将激光单元产生的光束变成平行光，反射元件23用于将准直元件22出射的平行光偏转90°后出射，准直元件22和反射元件23随着位移装置21的线性运动而移动。

分束元件24能够将反射元件23的出射光分成两束，其中一束光沿分束前的光路传播，另外一束光通过聚焦元件25汇聚成测量光束。

光强探测器26用于根据汇聚的测量光束生成光电信号，传输至控制装置27。

控制装置27能够控制位移装置21进行线性运动，并根据光强探测器26发出的光电信号确定各激光单元对应的位移装置21的共线位置，当位移装置21位于共线位置时，各激光单元的出射光经过准直元件22和反射元件23后的光路能够实现共线传播。

本申请提供的可调谐激光器的光束共线调节系统，利用控制装置控制位移装置线性运动，带动准直元件和反射元件移动，并对分束后的光强强度进行拟合运算以确定位移装置的共线位置，有效提高共线位置的精准度，在保证单个激光单元准直效果的前提下，实现可调谐激光器中各激光单元的共线传播，并保证激光器的调谐范围和调谐精度；提高激光单元的光束质量；使可调谐激光器能够长距离使用，扩大应用范围；能够实现宽谱调谐和连续可调谐；可调谐激光器中各激光单元互相之间无影响，可以根据实际需求单独点亮，提高可调谐激光器的灵活性；调节系统所需元件数量少，结构紧凑，对产品的体积影响较小，更有益于集成化的生产。

在可选的实施例中，中红外可调谐线阵激光器1的输出波长范围可以是2μm~25μm。

在可选的实施例中，准直元件22可以是非球面镜，非球面镜的两个面均可以设置有减反膜，减反膜的覆盖范围应该大于中红外可调谐线阵激光器1的输出波长范围，且激光单元应该设置在非球面镜的焦面一侧，准直元件22能够对激光单元的输出光进行准直，输出平行光。

在可选的实施例中，反射元件23包括一个反射面，反射元件23设置在准直元件22出射光的传播路径上，反射元件23在中红外可调谐线阵激光器的波长范围内设置有高反膜，反射元件23于准直元件22出射光的传播路径之间的夹角为45°，反射元件23用于将准直元件22出射的平行光偏转90°后输出。

在可选的实施例中，准直元件22和反射元件23固定设置在位移装置21上，准直元件22和反射元件23可以随着位移装置21的运动而移动，但是准直元件22和反射元件23相对位置不变。

在可选的实施例中，分束元件24设置在反射元件23出射光的传播路径上，其中一束光沿分束前的传播路径继续传播，另外一束光被分束元件24反射。具体的，分束元件24的反射强度范围大于0小于等于10%，即反射元件23的输出光中最多有10%会改变传播路径射向聚焦元件25。由此，使共线调节过程中的功率损耗能够控制在较小的范围内。

具体的，分束元件24的基底可以选用氟化钙、氟化镁、硒化锌、硅、锗等任意一种材料，这些材料在中红外可调谐线阵激光器1输出的波长范围内几乎没有吸收。

在可选的实施例中，分束元件24下方可以设置有旋转装置，分束元件24能够在旋转装置的作用下进行旋转。具体的，分束元件24的角度应该由参考激光单元与光强探测器26的位置确定，在根据参考激光单元和光强探测器26的位置进行确定后，分束元件24的角度在后续的激光单元准直过程中将不再发生变动。在可选的实施例中，参考激光单元可以选用第1个激光单元。首先对参考激光单元进行准直，在参考激光单元准直后，使位移装置21保持不动，调整分束元件24的角度，使得光强探测器26上测得的强度值最大，固定分束元件24的角度。

在可选的实施例中，旋转装置可以与控制装置27电连接，旋转装置在控制装置27的控制下带动分束元件24进行旋转。

在可选的实施例中，光强探测器是单点光强探测器，单点光强探测器在中红外可调谐线阵激光器1的输出波长范围内具有很好的响应度。

经过分束元件24反射的光线在聚焦元件25处被汇聚，选择合适的聚焦元件使汇聚后过的光斑尺寸略小于探测器的探测面，汇聚后的光线照射在光强探测器26上，由此，能够有效提高照射在光强探测器26上的强度。

在可选的实施例中，控制装置27根据光强探测器26发出的光电信号确定各激光单元对应的位移装置21的共线位置具体可以包括：

将位移装置21的初始位置记为a，当位移装置21位于初始位置时，准直元件22位于第1个激光单元输出光的传播路径上，设位移装置21的初始位置a即为第1个激光单元对应的共线位置；

第1个激光单元输出光线，分束元件24进行旋转，同时控制装置27记录光强探测器26接收到的光线强度，将光强探测器上得到的光强最大值记为I

控制装置27控制位移装置21做线性运动，直到光强探测器26上的强度为0，此时位移装置21的位置记为a

控制装置27根据记录的位移装置21的位置和光强探测器26上测得的光强信号，得到位移装置21的位置与光强探测器26检测的光强相关的曲线，参考说明书附图2，横轴代表位移装置21的位置，纵轴代表光强探测器26检测到的光强；

对位移装置21位置与光强探测器26检测的光强相关的曲线上的测试数据进行拟合并记录当前拟合参数。参考说明书附图4，示出了共线调节过程中聚焦光斑与强度探测器探测面的位置关系示意图，其中聚焦光斑是指经过聚焦元件25后的光斑，说明书附图4中的a、b、c、d和e分别表示随着位移装置21的移动，聚焦光斑与光强探测器26的探测面分离、相交、重合、再次相交和再次分离的过程，说明书附图4中所示过程相当于对聚焦光斑强度做卷积的过程。具体的，当同时满足拟合得到的第一最大强度值

当对第i个激光单元进行共线调节时，i为不小于2且不大于N的自然数，控制装置27控制位移装置21做线性运动，当光强探测器26上的强度为0时，此时位移装置21的位置记为a

控制装置27根据第1个激光单元拟合时记录的拟合参数对第i个激光单元对应的测试数据进行拟合，得到拟合的第二最大强度值

控制装置27控制位移装置21在位置a

具体的，第二阈值可以设定为1%。

由此，控制装置27通过计算使位移装置的位移精度更高，优化了各激光单元的共线效果。

在可选的实施例中，控制装置27能够根据光强探测器26发出的光电信号确定各激光单元对应的位移装置21的共线位置包括：

将位移装置21的初始位置记为a，当位移装置21位于初始位置时，准直元件22位于第1个激光单元输出光的传播路径上，设位移装置21的初始位置a即为第1个激光单元对应的共线位置；

第1个激光单元输出光线，分束元件24进行旋转，同时控制装置27记录光强探测器26接收到的光线强度，将光强探测器上得到的光强最大值记为I

控制装置27控制位移装置21做线性运动，直到光强探测器26上的强度为0，此时位移装置21的位置记为a

控制装置27根据记录的位移装置21的位置和光强探测器26上测得的光强信号，得到位移装置21的位置与光强探测器26检测的光强相关的曲线；

对位移装置21位置与光强探测器26检测的光强相关的曲线上的测试数据进行拟合并记录当前拟合参数。具体的，当同时满足拟合得到的第一最大强度值

当对第i个激光单元进行共线调节时，控制装置27控制位移装置21做线性运动，当光强探测器26上的强度达到最大值，将最大值记为I

控制装置27根据第1个激光单元拟合时记录的拟合参数对第i个激光单元对应的测试数据进行拟合，得到拟合的第二最大强度值

控制装置27控制位移装置21在位置a

由此，通过位移装置的重复精度和位置精度确定n，进而确定位移结束的位置，位移装置无需在强度再次为0时才结束运动，节约共线调节的时间，提高效率。

在可选的实施例中，设位移装置的重复精度为r，位置精度为p，n应该不小于5×（r+p）。

在可选的实施例中，聚焦元件25的焦平面上的光斑分布满足在空间上满足高斯或者超高斯分布：

；

其中，I

对位移装置21位置与光强探测器26检测的光强相关的曲线上的测试数据进行拟合可以通过多项高斯函数或者傅里叶函数进行。

具体的，傅里叶函数可以是：

Fourier(y=a

其中，a

多项高斯函数可以是：

Gaussian(y=a

其中，a

在可选的实施例中，可调谐激光器的光束共线调节系统每一次启动时，都可以根据控制装置27中记录的位置信息进行快速调整。

实施例2：

本发明实施例还提供一种可调谐激光器的光束共线调节方法，应用于以上实施例中任意可调谐激光器的光束共线调节系统，包括以下步骤：

步骤1：控制装置控制位移装置运动到初始位置a，

步骤2：第1个激光单元输出光，调整分束元件角度，使分束后的光在光强探测器上得到最大值，此时光强探测器上得到的最大值记为I

步骤3：控制装置控制位移装置进行线性运动，并根据光强探测器发出的光电信号确定各激光单元对应的位移装置的共线位置。

在可选的实施例中，分束元件的反射强度范围大于0小于等于10%。

在可选的实施例中，分束元件下方设置有旋转装置，旋转装置和控制装置电连接，在步骤2中，控制装置通过控制旋转装置使分束元件进行旋转。

在可选的实施例中，在步骤3中，控制装置控制位移装置进行线性运动，并根据光强探测器发出的光电信号确定各激光单元对应的位移装置的共线位置包括以下步骤：

设中红外可调谐线阵激光器中的激光单元有N个，N为不小于2的自然数，位移装置的初始位置记为a，当位移装置位于初始位置时，准直元件位于第1个激光单元输出光的光路上，设位移装置的初始位置a即为第1个激光单元的共线位置；

步骤3.1：控制装置控制位移装置做线性运动，直到光强探测器上的强度为0，此时位移装置的位置记为a

步骤3.2：控制装置得到位移装置位置与光强探测器信号曲线；

步骤3.3：对位移装置位置与光强探测器信号曲线上的测试数据进行拟合并记录当前拟合参数；

步骤3.4：当对第i个激光单元进行共线调节时，i为不小于2且不大于N的自然数，控制装置控制位移装置做线性运动，当光强探测器上的强度为0时，此时位移装置的位置记为a

步骤3.5：控制装置根据步骤3.3记录的拟合参数对第i个激光单元对应的测试数据进行拟合，得到拟合的第二最大强度值

步骤3.6：控制装置控制位移装置在位置a

在可选的实施例中，在步骤3中，控制装置控制位移装置进行线性运动，并根据光强探测器发出的光电信号确定各激光单元对应的位移装置的共线位置包括以下步骤：

设中红外可调谐线阵激光器中的激光单元有N个，N为不小于2的自然数，位移装置的初始位置记为a，当位移装置位于初始位置时，准直元件位于第1个激光单元输出光的光路上，设位移装置的初始位置a即为第1个激光单元的共线位置；

步骤3.1：控制装置控制位移装置做线性运动，直到光强探测器上的强度为0，此时位移装置的位置记为a

步骤3.2：控制装置得到位移装置位置与光强探测器信号曲线；

步骤3.3：对位移装置位置与光强探测器信号曲线上的测试数据进行拟合并记录当前拟合参数；

步骤3.4：当对第i个激光单元进行共线调节时，i为不小于2且不大于N的自然数，当光强探测器上的强度达到最大值，将最大值记为I

步骤3.5：控制装置根据步骤3.3记录的拟合参数对第i个激光单元对应的测试数据进行拟合，得到拟合的第二最大强度值

步骤3.6：控制装置控制位移装置在位置a

本实施例与实施例1相同的特征在此不再赘述。

本申请提供的可调谐激光器的光束共线调节方法，利用控制装置控制位移装置线性运动，带动准直元件和反射元件移动，并对分束后的光强强度进行拟合运算以确定位移装置的共线位置，有效提高共线位置的精准度，在保证单个激光单元准直效果的前提下，实现可调谐激光器中各激光单元的共线传播；可调谐激光器中各激光单元互相之间无影响，可以根据实际需求单独点亮；调节系统所需元件数量少，结构紧凑，对产品的体积影响较小，更有益于集成化的生产。

以上所述仅是本申请的可选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。