一种产生稳定全时低噪声的激光输出的方法

摘要

本发明揭示了一种产生稳定全时低噪声的激光输出的方法，包括以下步骤：调整和维护操作温度的半导体激光器通过附贴于激光器的TEC；从直流发电机产生直流偏置；从本地振荡器生成振幅可调的射频信号；射频信号叠加到直流偏置生成调幅驱动电流；调幅驱动电流通过输入耦合阻抗匹配注入半导体激光；通过自动功率控制回路调整直流偏置；优化射频信号的振幅。本发明对半导体激光二极管的驱动实行调制，有效克服了跳模现象，适用于各种波长的激光二极管，产生的激光输出具有低相干、低噪音、低散斑和输出功率长时间稳定及光束照度长时间均匀的优点，尤其适用于生物医学和医疗诊断及临床。

权利要求

1.一种从半导体激光器产生稳定全时低噪声的激光输出的方法，其中所述稳定是指激光输出功率、波长、光谱和光束波形没有随着时间的推移有明显的变化或是控制在可容许的范围内，所述全时是指在每个激光器的全部工作时间；包括以下步骤：步骤一：通过附加于激光器的热电控制器调整和维护半导体激光器的操作温度；

步骤二：直流发电器产生发电器直流偏置，其中直流偏置近似地由所需的激光输出功率与半导体激光器的电流-功率曲线的平均斜率之比决定的；

步骤三：生成可调整振幅和频率的射频信号，远远高于本地振荡器的激光腔中的纵向模式的增长时间的倒数；

步骤四：叠加射频信号至直流偏置以生成调幅驱动电流，使驱动电流及其衍生随时间温和地、连续地变化；

步骤五：将调幅驱动电流通过输入耦合匹配阻抗注入半导体激光器；

步骤六：通过自动功率控制回路调整直流偏置，并优化射频信号的振幅；

所述步骤六中的调整直流偏置的步骤进一步包括以下步骤：将一部分激光器的输出到外部的光子电子转换设备，激光器与任何杂散光完全隔离；放大由光子电子转换设备收到的光子转换的电流；放大的电流与比较器的参数进行比较，其中所述参数是根据所需的激光输出功率预先设定的；并根据比较结果调整直流偏置；

所述步骤六中的优化射频信号的振幅步骤进一步包括以下步骤： 射频信号的振幅值设置为零到直流偏置减去阈值电流之间；逐步提高射频信号的振幅并同时监测激光输出波形和激光输出频谱；并选择在每个周期中至少有一部分激光器输出波形达到零的振幅，并且激光输出谱变得稳定，所述的稳定光谱是指谱扩大与一个单峰和频谱的包络并没有任何明显的随时间的变化，此外，稳定性并没有随着进一步增加射频信号的幅度而显着改善；在每个射频周期，激光关闭的时间超过激光腔中任何纵向模式的弛豫时间；即在每个激光关闭的期间，驱动电流充分低于阈值，激光腔中放大的自发辐射被充分抑制。

2.根据权利要求1所述的一种从半导体激光器产生稳定全时低噪声的激光输出的方法，其特征在于：所述半导体激光是边缘发射器。

3.根据权利要求1所述的一种从半导体激光器产生稳定全时低噪声的激光输出的方法，其特征在于：所述半导体激光是氮化镓基激光发射器。

4.根据权利要求1所述的一种从半导体激光器产生稳定全时低噪声的激光输出的方法，其特征在于：所述半导体激光是宽发射域激光发射器。

5.根据权利要求1所述的一种从半导体激光器产生稳定全时低噪声的激光输出的方法，其特征在于：还包括以下步骤：通过一个或多个非线性光学设备转换激光输出频率。

6.根据权利要求1所述的一种从半导体激光器产生稳定全时低噪声的激光输出的方法，其特征在于：所述半导体激光器是多个横向模式运作的宽发射域激光发射器，进一步包括步骤：选择射频信号的频率，使调幅驱动电流的平均变化率至少为 0.1 mA/ns；激光器输出空间均匀和暂时稳定的光束波形。

7.根据权利要求1所述的一种从半导体激光器产生稳定全时低噪声的激光输出的方法，其特征在于：还包括以下步骤：为了过载保护而限制先前驱动电流并分流反向电流远离激光器。

8.根据权利要求1所述的一种从半导体激光器产生稳定全时低噪声的激光输出的方法，其特征在于：还包括以下步骤：衰减沿电源线传导的高频电磁噪声，以通过电子筛选经由电源线传递的电磁噪声提供激光器电能；以导电盒屏蔽激光，来衰减穿透所述导电盒的电磁辐射。

9.一种从半导体激光器产生稳定的全时的低噪声的激光输出的方法，所述稳定是指激光输出功率、波长、光谱和光束波形没有随着时间的推移有明显的变化或是控制在可容许的范围内，所述全时指在每个激光器的全部工作时间；包括以下步骤： 步骤一：通过附加于激光器的热电控制器调整和维护半导体激光器的操作温度；

步骤二：直流发电器产生发电器直流偏置；

步骤三：生成可调整振幅和频率的射频信号，远远高于本地振荡器的激光腔中的纵向模式的增长时间的倒数；

步骤四：叠加射频信号至直流偏置以生成调幅驱动电流，使驱动电流及其衍生随时间温和地、连续地变化；

步骤五：将调幅驱动电流通过输入耦合匹配阻抗注入半导体激光器；

步骤六：通过自动电流控制回路调整直流偏置，并优化射频信号的振幅；

其中，所述步骤六中的调整直流偏置的步骤进一步包括以下步骤：通过电流感应电阻采样直流电流；将采样的电流与比较器的参数进行比较，其中所述参数在应用射频信号时是可调的以满足所需的激光输出功率；并根据比较结果调整直流偏置；

其中，所述步骤六中的优化射频信号的振幅步骤进一步包括以下步骤：射频信号的振幅值设置为零到直流偏置减去阈值电流之间；逐步提高射频信号的振幅并同时监测激光输出波形和激光输出频谱；并选择在每个周期中至少有一部分激光器输出波形达到零的振幅，激光输出谱变得稳定，所述稳定光谱是指谱扩大与一个单峰和频谱的包络并没有任何明显的随时间的变化，此外，稳定性并没有随着进一步增加射频信号的幅度而显着改善；即在每个射频周期，激光关闭的时间超过激光腔中任何纵向模式的弛豫时间；即在每个激光关闭的期间，驱动电流充分低于阈值，激光腔中放大的自发辐射被充分抑制。

10.根据权利要求9所述的一种从半导体激光器产生稳定的全时的低噪声的激光输出的方法，其特征在于：还包括调谐激光输出的强度，使激光器在脉冲模式下运行的步骤。

11.根据权利要求10所述的一种从半导体激光器产生稳定的全时的低噪声的激光输出的方法，其特征在于：还包括定期打开和关闭直流偏置以调谐激光输出强度的步骤。

12.根据权利要求9所述的一种从半导体激光器产生稳定的全时的低噪声的激光输出的方法，其特征在于：还包括以下步骤：注射从半导体激光器发出的脉冲激光束到光抽运的固体增益介质。

13.一种从二极管抽运固体激光器产生稳定全时低噪声的激光输出的方法，所述二极管是指一个或多个半导体激光器；所述半导体激光器发射具有与固体激光器增益介质的吸收光谱相匹配的波长的激光束；所述全时是指在每个激光器的全部工作时间；包括以下步骤：步骤一：通过贴在二极管和固体激光器增益介质上的一个或多个热电控制器调整和维持二极管和固体激光器增益介质的操作温度；

步骤二：直流发电器产生发电器直流偏置，其中直流偏置近似地由所需的激光输出功率与半导体激光器的电流-功率曲线的平均斜率之比决定的；

步骤三：生成可调整振幅和频率的射频信号，远远高于本地振荡器的激光腔中的纵向模式的增长时间的倒数；

步骤四：叠加射频信号至直流偏置以生成调幅驱动电流，使驱动电流及其衍生随时间温和地、连续地变化；

步骤五：将调幅驱动电流通过输入耦合匹配阻抗注入二极管；

步骤六：通过自动功率控制回路调整直流偏置，并优化射频信号的振幅；

其中，所述步骤六中的调整直流偏置的步骤进一步包括以下步骤：将一部分固体激光器的输出到外部的光子电子转换设备，固体激光器和二极管的光学谐振腔与任何杂散光完全隔离；放大由光子电子转换设备收到的光子转换的电流；放大的电流与比较器的参数进行比较，其中所述参数是根据所需的固体激光器的输出功率预先设定的；并根据比较结果调整直流偏置；

其中，所述步骤六中的优化射频信号的振幅步骤进一步包括以下步骤： 射频信号的振幅值设置为零到直流偏置减去二极管的阈值电流之间；逐步提高射频信号的振幅并同时监测二极管的输出波形和输出频谱；并选择在每个周期中至少有一部分二极管输出波形达到零的振幅，二极管输出谱变得稳定，其中所述稳定光谱是指谱扩大与一个单峰和频谱的包络并没有任何明显的随时间的变化，此外，稳定性并没有随着进一步增加射频信号的幅度而显着改善；在每个射频周期，激光关闭的时间超过激光腔中任何纵向模式的弛豫时间；

即在每个激光关闭的期间，驱动电流充分低于阈值，激光腔中放大的自发辐射被充分抑制。

14.根据权利要求13所述的一种从二极管抽运固体激光器产生稳定全时低噪声的激光输出的方法，其特征在于：还包括以下步骤：调整二极管操作温度，使其输出波长匹配固体增益介质的吸收谱；由此泵能量的有效吸收被优化。

15.根据权利要求13所述的一种从二极管抽运固体激光器产生稳定全时低噪声的激光输出的方法，其特征在于：所述固体激光增益介质是三价镨掺杂材料，所述二极管是短波长 GaN 基激光二极管。

说明书

一种产生稳定全时低噪声的激光输出的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体激光器领域，尤其涉及一种能有效产生具有低相干、低噪音、低散斑和输出功率长时间稳定及光束照度长时间均匀的半导体激光系统，及在生物医学和医疗诊断及临床应用中所需的单色或多色产于单一器件的各种波长的半导体激光系统。

背景技术

[0002] 半导体激光系统在生物医学和医疗诊断及临床上的许多应用基于激光诱导荧光辐射。通过对所诱发荧光的检测确定物质结构性质。激光诱导荧光过程是一个光子的吸收和转化过程。照射光激发分子而后发出更长波长的光。由于不同分子的发光光谱各不相同，根据分子的特征谱线就可以探测和鉴别不同分子。由于只有在照射光波长与被测分子的吸收能级匹配的时候，才能有效产生荧光信号，所以根据不同的应用，需要选择不同的激光器或使用可调谐激光器或者针对特定激光选择合适的示踪材料，通常为荧光素或荧光染料。

[0003] 作为一种探针，荧光素能结合在生物分子的特定部位对特定激光波长反应。大部分荧光素由带苯环的化学物构成，与被测分子的特定部位有特别强的亲和力。窄带光谱荧光素特别适合多色激光系统。所用激光波长应与荧光探针的吸收峰相符。美国PIC应用光电公司所生产的新型三低（低相干•低噪音•低散斑）半导体激光系统能产生多种不同波长适应各种不同类型的荧光探针。基于激光诱导荧光原理的主要应用包括脱氧脱糖核酸序列的测定，激光显示系统，激光共焦显微镜，蛋白质扫描仪，流式细胞分析仪，细胞分选等。

[0004] 脱氧脱糖核酸是生物体遗传信息的载体，是一个由两条聚核苷酸链相互缠绕一起而形成的右手双螺旋结构的高分子，其中互补核苷碱基通过氢键相互作用形成共面碱基对。脱氧脱糖核酸的特定功能由核甘酸碱基的顺序决定。人类的核甘酸碱基只有四种：A，G，C，T，构成23种染色体。各种染色体的长度有很大不同：从最短的Y染色体（约含五千万个碱基对）到最长的1号染色体（共有2.23亿个碱基对）。人类基因共含约三十亿个碱基对。约百分之十的人类基因含蛋白质编码序列信息。1号染色体包含基因数量最多，其基因数目多达3141个，占人类基因组中碱基对总量的8％左右，破译难度亦最大。这些基因中存在的缺陷与350种疾病有关，其中包括癌症、帕金森病和早老性痴呆等。作为脱氧脱糖核酸序列测定技术最重要发明之一的荧光法比其它方法如射线照相法效率成倍甚至成数量级提高，而且重复性好，用样量少，无辐射，适合脱氧脱糖核酸的自动测序，也使人类基因组定序成为可能。脱氧脱糖核酸测序中常用的荧光染料在可见光带有吸收峰。目前最常用的激发源包括产生488纳米或514纳米的氩离子激光器。吸收峰在近红外的荧光染料也有很大吸引力。原因是在信号收集中较低的背景噪音，从而改善了测定灵敏度。现今已有报导的例如用780纳米激光器激发的吸收峰在766，768或787纳米的荧光染料。脱氧脱糖核酸测序可采用单色，双色或四色。

[0005] 成像系统在医疗诊断中有重要应用。医用成像设备可以是单通道如断层扫描或多通道如核磁共振。可通过X-光透射成像或超声波反射成像或光学（激光或非激光）成像。也可通过其他物理现象如放射湮没，电导率或核磁共振的自旋密度和弛豫时间成像。光学成像的分辨率和信噪比均较高，常用于内视镜，喉镜，和结肠镜。近来亦用于光学断层扫描。
许多医用光学成像系统基于激光诱导荧光辐射。由于大部分生物体对650至1000纳米的波段吸收较少，近红外成像技术的发展相当快，空间分辨率已可达60至30微米，穿透深度为6到10厘米。次外，以绿色荧光蛋白质为标示基因的基因表达显像也是重要的光学分子成像方式，可用于微小肿瘤病灶的发现及新药的筛选等。激光显示系统的优点在于纯正的红绿蓝基色，三维影像效果，高像素分辨率，大反差，及高亮度。目前激光显示系统急需解决的问题在于因光的高相干性所带来的影像斑点。

[0006] 激光共焦显微镜采用荧光影像模式并采用空间过滤技术消除失焦光线或眩光，有助于改善影像质量。激光共焦显微镜可控制景深，通过对一系列光截面的采样，得到三维影像。三维影像在医疗诊断上有重要应用，例如获取成体骨髓细胞或胰岛细胞的信息。使用激光共焦显微镜不仅能观察化学上不变的细胞或器官还能观察活的细胞或器官。激光共焦显微镜在眼科方面亦有重要应用，如可用于活体角膜研究，为角膜炎的诊断和疗效的监测提供实时的三唯图像显示。激光共焦显微镜还可用于眼底断层扫描、分析视网膜厚度，眼底血管造影等。

[0007] 流式细胞分析仪测量悬浮在流体中的粒子（细胞）。细胞分选则是该技术的拓展，根据所规定的参量把指定的细胞亚群从整个群体中分选出来，以便对它们进行进一步的研究分析。流式细胞分析仪由光学元器件，光电转换，电子控制，流体及数据处理等部分组成。光学元器件包括光源（激光或弧光灯），探测器（光电倍增管），和按光谱分离光束的器件（滤光镜，反射/透射镜）。采用激光作光源的主要优点是单色，方向性，和相干性。流式细胞分析仪的工作原理是将待测细胞经特异性荧光染料染色后放入样品管中，在气体的压力下进入充满鞘液的流动室。在鞘液的约束下细胞排成单列由流动室的喷嘴喷出，形成细胞柱并与入射的激光束垂直相交。当悬浮在流体中的细胞逐一通过被激光照射的通道，与细胞结合的荧光探针或抗体被诱导发出荧光。被细胞散射的激光可在前方或侧方被搜集。往前散射的光强由粒子大小（表面积）决定。侧向散射的光强则反映粒子的形状及其光学均匀性。
如果被激光照射的粒子是细胞，则前散射给出有关细胞边缘波动的信息，从而区分死细胞与活细胞。侧散射信号可用来区分颗粒细胞与非颗粒细胞。由荧光探针发出的荧光强度与结合点的多少成正比。根据荧光光谱特性与散射的结果可将细胞分类。流式细胞分析仪有单色或多色。目前常用的激光波长有紫外，405，488，635纳米。近来亦有许多使用560至
600纳米黄光的例子。与蓝绿光（488纳米）相比，使用黄光（561纳米）能提高对某些荧光蛋白（如吸收峰在558纳米的PE和吸收峰在565纳米的DsRed）的检测灵敏度六至七倍。

[0008] 流式细胞分析仪主要用来分析分类带表面标记的血细胞亚群，在临床医学领域里有着广泛的应用。在肿瘤学中的应用包括（1）鉴定分型肿瘤细胞，发现癌前病变，协助肿瘤早期诊断；（2）监控细胞的倍体/非倍体状态，为肿瘤的诊断、预后判断和治疗提供有力的依据。在临床细胞免疫中的应用：通过荧光抗原抗体检测技术对细胞表面抗原分析，进行细胞分类和亚群分析，评估人体细胞免疫功能。在血液病诊断和治疗中的应用包括（1）白血病的免疫分类，诊断和治疗；（2）其它种类血液病如阵发性睡眠性血红蛋白尿症的诊断和治疗监测：（3）网织红细胞的测定及临床应用，为干细胞移植术后恢复的判断、贫血的治疗监测、肿瘤病人放化疗对骨髓的抑制状况等提供依据。在血栓与出血性疾病中的应用包括（1）血小板功能的测定；（2）血小板相关抗体的测定。

[0009] 另一类重要的激光应用基于激光与人体组织的相互影响。激光到达人体组织后会经历反射，透射，吸收，与散射。反射现象应在临床中避免。穿透皮肤的激光可治疗皮下血管病灶。若使激光穿过眼内液到达视网膜，则可进行视网膜手术。激光射入人体组织后最常见的现象是吸收。大部分被吸收的光转换成热能，导致组织的汽化，凝血，甚至剥离。部分光能可能被电子吸收而使之跃迁。此会使组织处于游离或离子化状态，造成分子键的破坏。散射现象会影响光束聚焦，减少光束穿透深度，常见于可见光与近红外光。激光穿透人体皮肤的深度随其波长约呈二次上升函数.当然，皮肤的种类亦决定穿透深度。此外，光束的半径及准直度也会影响其穿透率。

[0010] 激光在医学临床诊断治疗上的应用取决于激光对人体组织的作用。高温效应多由高能量激光引起，会促使组织膨胀，分开，以致蒸发，汽化。临床上利用此效应切割或烧除肿瘤。若组织位于激光焦点之外，温度上升较慢，临床上可达到凝固止血的目的。显微热效应或组织熔合作用由较小功率激光照射极小面积引起。可用来熔合被截断的显微血管，显微神经，及输卵管。为避免对周围组织造成非选择性的热伤害，所用激光之脉宽应接近或短于人体组织的热弛豫时间。光化学反应包括光解离作用主要由功率在数百毫瓦以下的激光引起。可用来消除肿瘤。光电磁效应或光生物调节作用由极低能量的激光引发。可促进伤口愈合，加速局部循环。光声作用或光震碎作用临床上用于治疗肾结石或胆结石。极短脉冲引起的瞬间显微热效应适用于眼科手术。光剥离作用一般由准分子激光器产生的深紫外线引发。造成表层组织剥离。

[0011] 大量基于激光与人体组织相互影响的应用与眼睛尤其视网膜有关。例如用视网膜照相术筛检糖尿病型视网膜病变。早期筛检并及时治疗是非常重要的。视网膜照相机使用明亮的可见或红外光观察眼底。用激光扫描眼底并对反射光解码可得到视网膜成像。由此可测眼杯的深度和视网膜神经纤维层的厚度。脉络膜视网膜结构有四种主要吸收物：黑色素在视网膜色素上皮，吸收系数高于其他吸收物，并随波长增加而减弱；氧合血红蛋白在542纳米（绿色）和577纳米（黄色）呈双吸收峰；还原血红蛋白在555纳米呈吸收峰；黄斑叶黄素存在内外网状层，是最弱的吸收物，峰值接近488纳米（蓝色）。不同波长的光对视网膜有不同的穿透。蓝光主要在表面散射，可用来检测视网膜神经纤维层。红光穿透力最强，可达脉络膜。绿光则介于二者之间。视网膜血管反差在570纳米左右最强。当激光波长低于540纳米或高于580纳米，反差减弱。

[0012] 激光的眼科手术包括激光凝固术（糖尿病型视网膜病变，黄斑变性），激光角膜屈光术（近视），和激光虹膜周切术（青光眼）。传统使用514纳米氩离子激光或532纳米绿光。577纳米黄光能被血液吸收可用来修补血管。准分子激光原位角膜镶术则是目前最常见的角膜矫正手术。

[0013] 光学相干断层扫描是近十几年来迅速发展起来的一种超高精度非侵入性成像技术，可提供动态时间分辩图像。利用宽带光源的短程相干特性检测生物组织不同深度层面对入射弱相干光的背向反射或几次散射信号，进行时空变换并通过扫描，可得到生物组织二维或三维结构图像。根据光学原理可知，图像的断层分辨率与入射波波长的平方成正比而与带宽成反比。例如一中心波长为800纳米带宽为100纳米的光源的断层分辨率可达两微米。图像的横向分辨率则由光束直径决定。光学相干断层扫描有效克服了传统影像诊断技术，例如超声波技术，因生物组织活体对入射波的大量散射和吸收所带来的局限性。作为一项全新的影像学诊断技术，光学相干断层扫描仪已被大量应用在眼科（如使眼底组织可视化），心血管科（如观察冠状动脉和脆性斑块），肿瘤科（如对癌肿浸润深度和淋巴结转移灶进行评判），等几乎所有部门。除空间相干性外，光学断层扫描的方法还可依据偏振性，多普勒效应，吸收，和弹性。医用光学相干断层扫描仪的激光波长应在近红外波段：在1.2至1.8微米之间。

[0014] 此外，激光还可应用在皮肤外科，用来去除老旧或被太阳损坏的皮肤薄层或切除/缝合血管。激光的功率与波长决定具体应用。所用之波长应能温和穿过皮肤并易被水或色素吸收。活的细胞中有大量水存在。皮肤中的色素则包括血红蛋白和黑色素。这几种物质各有不同的吸收峰。黄光比其他颜色光更能被血红蛋白吸收，可用来治疗血管病变引起的皮肤病，例如鲜红斑痣（葡萄酒色斑），红色或紫色的胎记，微血管扩张，酒渣性痤疮，玫瑰痤疮，血管瘤，及红鼻子综合症。某些黄光还可治疗萎缩纹或白纹，并对婴儿安全。绿光可用来治疗良性色素沉着性皮肤病变如雀斑、咖啡斑和老年斑。绿光还可治疗脸部与腿部的小血管蛛状静脉或毛细孔扩张，治疗皮肤浅层色素性病变如褐斑和去除橙红色刺青。红光则常用来治疗黄褐色或褐色的色素沉着如雀斑和咖啡斑。近红外如1064纳米被用来移除刺青和皮肤深处的色素病变。

[0015] 激光刺青去除基于激光能量对外来色素（碳粒，染料等）有选择的破坏同时不伤及周围的皮肤。彩色刺青的去除通常须不同波长的激光。例如，1064纳米被用来去除黑或深蓝色刺青。红墨不易被600-800纳米的光去除，采用532纳米的绿光则有效得多。天蓝色的刺青应用橙光（585纳米）去除。而绿墨则宜用红光（650纳米）消除。用于去除刺青的激光通常工作在调Q脉冲状态。为适应各种皮肤保健或美容的需要，不同的激光系统被相继引入皮肤外科。目前市场常用的激光器包括红外波长的二氧化碳CO2（10。6微米）和高功率Er:YAG（1。55微米）能逐层气化皮肤。Nd:YAG产生1064纳米的激光。黄光多由有机染料产生。红光或近红外由红宝石（Ruby，694纳米）或紫翠玉宝石激光（Alexandrite，700-818纳米）产生。绿光（532纳米）则来自倍频后的Nd:YAG。为适应各种医疗诊断及临床应用之需要，大量的激光系统被相继引入。选择医用激光的基本参数包括波长，功率（或能量），及工作模式。现有的医用激光系统主要选自已商品化的器件，如产生紫外或深紫外的准分子激光器，产出蓝绿光的氩离子激光器，产生黄光或橙光的染料激光器，产生红光或橙光的氦氖激光器，产生红外波长的二氧化碳激光器，及一系列固体或半导体激光器，等。输出功率从毫瓦级至数百瓦。可连续输出或脉冲输出包括各种不同的重复率。极短脉冲激光输出一般通过Q开关实现。

[0016] 但是，气体激光器如准分子激光器和离子激光器通常结构复杂笨重，操作困难，寿命短，价格昂贵，且脉冲重复率低。染料激光器须频繁更换染料，不仅不便且增加运作成本。目前医用的固体激光器主要有产生红光或近红外的红宝石和紫翠玉宝石激光，产生1064纳米的Nd:YAG，产生1。55微米红外波长的Er:YAG。通过非线性频率转换可产生可见光甚至紫外光。最常见的如将1064纳米倍频后产生532纳米绿光。与其他种类激光器相比，固体或半导体激光器结构轻巧得多，使用方便，寿命也长，有逐渐取代其他激光器的趋势。但相当一些有用波长如氩离子激光器发出的488和514纳米可被荧光素eGFP和TMR有效吸收，却尚无法通过传统的混频在简单整合化的结构中有效实现。必须克服的技术障碍在于因绿光效应引起的光噪音。为克服“绿光效应”，参与混频的两基频光必须在独立的谐振腔中产生。目前商用的混频激光器均须采用许多附加组件，导致结构复杂，且转换效率低。

[0017] 由于目前医用的激光系统主要取自商品化的器件，尚缺许多有用波长，如在流式细胞分析仪中有重要应用的491，505，556纳米，因而相当一部分医疗诊断或临床应用无法在最佳状态下完成甚至根本无法实现。尤其在采用窄带光谱荧光素的多色激光系统，激光波长与荧光素吸收峰的匹配变得格外重要。此外，由于大都结构庞大复杂，限止了便携式仪器的开发。医用激光系统的成本价格亦是决定应用广泛程度的重要因素。开发新型激光器尤其是轻巧的新型半导体激光系统成为当务之急。

[0018] 半导体激光器的相干特性包括相干时间、 相干长度、 偏相干、 时间相干和空间 相干。在生物医学和医疗诊断及临床应用中，近几年低相干光学吸引了很多目光。低相干干涉提供为绝对测量了更实际的解决方案，但对于传统高相干激光光源照射的干涉仍然是未解决的问题。低相干激光器应用于空间分辨率的增加是通过低时间相干性获得的。本发明用来控制半导体激光器处于低相干的方法，基于具有光反馈和射频调谐的半导体激光原理。

[0019] 稳定全时低噪音激光输出已在医疗仪器、 半导体制造和许多其他需要光谱分析的领域中有重要应用。在下文中，稳定意味着激光输出的功率、 波长、频谱和光束波形随着时间的推移并没有明显的变化或控制在可容许的范围内 ；全时低噪音的意思是激光器输出的光学噪声低在所有的时间而非只在操作过程中。

[0020] 为了保持半导体激光器在稳定运行范围，常使用热电控制器 (TEC)。这种传统的控制方法，但是，由于快速模式切换无效，对降低光学噪声只有有限的影响。自动电源控制 (APC) 系统会自动调整响应反馈信号的激光驱动电流。这种方法的局限性包括预防半导体激光器的跳模和 （或）分区模式失效和由无用的光反馈和/或老化效应引起的可能的迹象。

[0021] 一种低噪声激光手术的方法依赖于时间变模式的统计平均值。通过定期更改激光驱动电流，使之处于激光阈值以下与最大额定电流高频率之间的水平，例如，射频 （RF）， 半导体激光器重复地打开和关闭在快速的频率下以致于无纵向模式始终占优势。这将使激光器在多种模式下运行并且扩大光谱范围。具有代表性的参考文献在美国专利5,065,401 ；5,175,722 ；5,197,059 ；5,386,409 ；5,495,464 ；6,049,073 ；6,625,381 ；和 6,999,838中可见。

[0022] 美国专利7468998 "无线电频率调制的变程度和自动电源控制使用外部光电二极管传感器的低噪音激光器的各种波长"，已整体并入此案以供参考。但是，这种方法不能保证在每个周期中生成的纵向模式都不相关，因此没有足够数量的纵向模式随机与具有迅速广泛参与激光手术的波长竞争。因此，随着时间的推移的统计平均值是无效的。此外，这种方法无法保证当激光处于关闭状态，或在低功率水平进行操作时放大自发辐射 (ASE)被 大幅抑制。其结果是，射频调制半导体激光仍然可以生产高噪音激光输出无论是在 RMS 或峰-峰值，尤其是在最初的几秒 （预热） 和/或电源供应者和/或环境条件突然更改或摄动时。此外，在先技术是无效或仅部分有效消除宽隙III - V族半导体激光器产生的光噪音，尤其氮化镓 (GaN) 基于短波长（典型的蓝色或紫色） 的激光二极管和增益制导激光二极管。这些激光二极管通常要求高的阈值电流，且由于相对较强的自发辐射，可以识别多模结构。增益制导的法布里-珀罗激光器，谱宽是纳米级得，比指导激光的带宽还要宽至少两个数量级。GaN 基激光器的其他挑战来自其输出频谱强烈依赖操作温度和电源。此外，在先技术未能统一和稳定宽发射域激光器的照明区域。

[0023] 美国专利7468998 和 7606273，委托给了同一个代理人，通过引用而构成，披露了利用射频调制驱动电流以减少或消除模式跳跃和/或模式分区相关的光学噪声。作为部分延续案，本发明有效地解决了在先技术的不足之处，并使全时低噪音激光手术在时空、 光谱、空间稳定的宽波长范围内。

发明内容

[0024] 鉴于上述的观察，本发明的目的是提供一种从半导体激光器中产生时间、 光谱和空间稳定的全时低噪音激光输出的方法。特别是关于能有效产生在生物医学和医疗诊断及临床应用中所需的单色或多色产于单一器件的各种波长的新型半导体激光系统。

[0025] 一种从半导体激光器产生稳定全时低噪声的激光输出的方法，其中所述稳定是指激光输出功率、波长、光谱和光束波形没有随着时间的推移有明显的变化或是控制在可容许的范围内，所述全时是指在每个激光器的全部工作时间；包括以下步骤：

[0026] 步骤一：通过附加于激光器的热电控制器调整和维护半导体激光器的操作温度；

[0027] 步骤二：直流发电机产生发电机直流偏置，其中直流偏置近似地由所需的激光输出功率与半导体激光器的电流-功率曲线的平均斜率之比决定的；

[0028] 步骤三：生成可调整的振幅和频率的射频信号，远远高于本地振荡器的激光腔中的纵向模式的增长时间的倒数；

[0029] 步骤四：叠加射频信号至直流偏置以生成调幅驱动电流，使驱动电流及其衍生随时间温和地、连续地变化；

[0030] 步骤五：将调幅驱动电流通过输入耦合匹配阻抗注入半导体激光；

[0031] 步骤六：通过自动功率控制回路调整直流偏置，并优化射频信号的振幅；

[0032] 所述步骤六中的调整直流偏置的步骤进一步包括以下步骤：将一部分激光器的输出到外部的光子电子转换设备，激光器与任何杂散光完全隔离；放大由光子电子转换设备收到的光子转换的电流；放大的电流与比较器的参数进行比较，其中所述参数是根据所需的激光输出功率预先设定的；并根据比较结果 调整的直流偏置；

[0033] 所述步骤六中的优化射频信号的振幅步骤进一步包括以下步骤：射频信号的振幅值设置为零到直流偏置减去阈值电流之间；逐步提高射频信号的振幅并同时监测激光输出功率波形和激光输出频谱；并选择振幅在至少有一部分激光输出功率波形在每个周期达到零，即暂时关闭，并且激光输出谱变得稳定，所述的稳定是指谱扩大与一个单峰和频谱的包迹并没有任何明显的随时间的变化，此外，稳定性并没有随着进一步增加射频信号的幅度而显着改善；在每个射频周期，激光关闭的时间超过激光腔中任何纵向模式的弛豫时间；即在每个激光关闭的期间，驱动电流充分低于阈值，激光腔中放大的自发发射被充分抑制。

[0034] 优选的，上述的一种从半导体激光器产生稳定全时低噪声的激光输出的方法，其中：所述半导体激光是边缘发射器。

[0035] 优选的，上述的一种从半导体激光器产生稳定全时低噪声的激光输出的方法，其中：所述半导体激光是氮化镓基激光发射器。

[0036] 优选的，上述的一种从半导体激光器产生稳定全时低噪声的激光输出的方法，其中：所述半导体激光是宽发射域激光发射器。

[0037] 优选的，上述的一种从半导体激光器产生稳定全时低噪声的激光输出的方法，其中：还包括以下步骤：通过一个或多个非线性光学设备转换激光输出频率。

[0038] 优选的，上述的一种从半导体激光器产生稳定全时低噪声的激光输出的方法，其中：所述半导体激光是由多个横向模式运作的宽发射域激光发射器，进一步包括步骤：选择射频信号的频率，使调幅驱动电流的平均变化率至少为 0.1 mA/ns；激光器输出空间均匀和暂时稳定的光束波形。

[0039] 优选的，上述的一种从半导体激光器产生稳定全时低噪声的激光输出的方法，其中：还包括以下步骤：为了过载保护而限制先前驱动电流并分流反向电流远离激光器。

[0040] 优选的，上述的一种从半导体激光器产生稳定全时低噪声的激光输出的方法，其中：还包括以下步骤：衰减沿电源线传导的高频电磁噪声，以通过电子筛选经由电源线传递的电磁噪声提供激光器电能；以导电盒屏蔽激光，使衰减电磁辐射穿透所述盒体。

[0041] 一种从半导体激光器产生稳定的全时的低噪声的激光输出的方法，所述稳定是指激光输出功率、波长、光谱和光束波形没有随着时间的推移有明显的变化或是控制在可容许的范围内，所述全时指在每个激光器的全部工作时间；包括以下步骤：

[0042] 步骤一：通过附加于激光器的热电控制器调整和维护半导体激光器的操作温度；

[0043] 步骤二：直流发电机产生发电机直流偏置；

[0044] 步骤三：生成可调整的振幅和频率的射频信号，远远高于本地振荡器的激光腔中的纵向模式的增长时间的倒数；

[0045] 步骤四：叠加射频信号至直流偏置以生成调幅驱动电流，使驱动电流及其衍生随时间温和地、连续地变化；

[0046] 步骤五：将调幅驱动电流通过输入耦合匹配阻抗注入半导体激光；

[0047] 步骤六：通过自动电流控制回路调整直流偏置，并优化射频信号的振幅；

[0048] 其中，所述步骤六中的调整直流偏置的步骤进一步包括以下步骤：通过电流感应电阻采样直流电流；将采样的电流与比较器的参数进行比较，其中所述参数在应用射频信号时是可调的以满足所需的激光输出功率；并根据比较结果 调整的直流偏置；

[0049] 其中，所述步骤六中的优化射频信号的振幅步骤进一步包括以下步骤：射频信号的振幅值设置为零到直流偏置减去阈值电流之间；逐步提高射频信号的振幅并同时监测激光输出功率波形和激光输出频谱；并选择振幅在至少有一部分激光输出功率波形在每个周期达到零，即暂时关闭，激光输出谱变得稳定，所述稳定是指谱扩大与一个单峰和频谱的包迹并没有任何明显的随时间的变化，此外，稳定性并没有随着进一步增加射频信号的幅度而显着改善；即在每个射频周期，激光关闭的时间超过激光腔中任何纵向模式的弛豫时间；即在每个激光关闭的期间，驱动电流充分低于阈值，激光腔中放大的自发发射被充分抑制。

[0050] 优选的，上述的一种从半导体激光器产生稳定全时低噪声的激光输出的方法，其中：还包括调谐激光输出的强度，使激光器在脉冲模式下运行的步骤。

[0051] 优选的，上述的一种从半导体激光器产生稳定全时低噪声的激光输出的方法，其中：还包括定期打开和关闭直流偏置以调谐激光输出强度的步骤。

[0052] 优选的，上述的一种从半导体激光器产生稳定全时低噪声的激光输出的方法，其中：还包括以下步骤：注射从半导体激光器发出的脉冲激光束到光抽运的固体增益介质。

[0053] 一种从二极管抽运固体激光器产生稳定全时低噪声的激光输出的方法，所述二极管是指一个或多个半导体激光器；所述半导体激光器发射具有与固体激光器增益介质的吸收光谱相匹配的波长的激光束；所述全时是指在每个激光器的全部工作时间；包括以下步骤：

[0054] 步骤一：通过贴在二极管和固体激光器增益介质上的一个或多个热电控制器调整和维持二极管和固体激光器增益介质的操作温度；

[0055] 步骤二：直流发电机产生发电机直流偏置，其中直流偏置近似地由所需的激光输出功率与半导体激光器的电流-功率曲线的平均斜率之比决定的；

[0056] 步骤三：生成可调整的振幅和频率的射频信号，远远高于本地振荡器的激光腔中的纵向模式的增长时间的倒数；

[0057] 步骤四：叠加射频信号至直流偏置以生成调幅驱动电流，使驱动电流及其衍生随时间温和地、连续地变化；

[0058] 步骤五：将调幅驱动电流通过输入耦合匹配阻抗注入二极管；

[0059] 步骤六：通过自动功率控制回路调整直流偏置，并优化射频信号的振幅；

[0060] 其中，所述步骤六中的调整直流偏置的步骤进一步包括以下步骤：将一部分固体激光器的输出到外部的光子电子转换设备，固体激光器和二极管的光共振腔与任何杂散光完全隔离；放大由光子电子转换设备收到的光子转换的电流；放大的电流与比较器的参数进行比较，其中所述参数是根据所需的固体激光器的输出功率预先设定的；并根据比较结果调整的直流偏置；

[0061] 其中，所述步骤六中的优化射频信号的振幅步骤进一步包括以下步骤： 射频信号的振幅值设置为零到直流偏置减去二极管的阈值电流之间；逐步提高射频信号的振幅并同时监测二极管的输出功率波形和输出频谱；并选择振幅在至少有一部分二极管的输出功率波形在每个周期达到零，即暂时关闭，二极管输出谱变得稳定，其中所述稳定是指谱扩大与一个单峰和频谱的包迹并没有任何明显的随时间的变化，此外，稳定性并没有随着进一步增加射频信号的幅度而显着改善；在每个射频周期，激光关闭的时间超过激光腔中任何纵向模式的弛豫时间；即在每个激光关闭的期间，驱动电流充分低于阈值，激光腔中放大的自发发射被充分抑制。

[0062] 优选的，上述的一种从二极管抽运固体激光器产生稳定全时低噪声的激光输出的方法，其中：还包括以下步骤：调整二极管操作温度，使其输出波长匹配固体增益介质的吸收谱；由此泵能量的有效吸收被优化。

[0063] 优选的，上述的一种从二极管抽运固体激光器产生稳定全时低噪声的激光输出的方法，其中：所述固体激光增益介质是三价镨掺杂材料，所述二极管是短波长 GaN 基激光二极管。

[0064] 本发明方法包括以下步骤：调整和维护操作温度的半导体激光器通过附贴于激光器的TEC ；从直流发电机产生直流偏置；从本地振荡器生成振幅可调的射频信号；射频信号叠加到直流偏置生成调幅驱动电流 ；调幅驱动电流通过输入耦合阻抗匹配注入半导体激光；通过自动功率控制回路调整直流偏置；优化射频信号的振幅。根据本发明方法，自动功率控制稳定激光输出功率在预定的水平，而射频调制产生迅速变化与不断扫描波长的激光输出。平均随着时间的推移，激光输出谱是稳定的。优化射频调制度以保证在每个射频周期纵向模式是随机建立的，因此模式跳跃和/或模式分区被完全消除。此外，任何放大自发辐射被大幅度抑制。因此，激光输出的光学噪声在激光手术期间的所有时间都是低的。是不需要"热身"的。

[0065] 根据本发明，为了使宽发射域激光发射器在多个横向模式运作，射频信号频率平均变动率至少 为0.1 mA / ns。因此，侧面的横向模式出于瞬时或不稳定的状态。统计平均以后，激光光束波形是空间统一和暂时稳定的。

[0066] 根据本发明，另一种从半导体激光器中产生时空，光谱和空间稳定、全时、低噪音激光输出的方法包括以下步骤：调整和维护操作温度的半导体激光器通过附贴于激光器的TEC ；从直流发电机产生直流偏置；从本地振荡器生成振幅可调的射频信号；射频信号叠加到直流偏置生成调幅驱动电流 ；调幅驱动电流通过输入耦合阻抗匹配注入半导体激光；通过自动电流控制回路调整直流偏置；优化射频信号的振幅。采用自动电流控制而不是自动功率控制来稳定激光输出功率，当激光器在激光脉冲模式中运行时尤其有用。

[0067] 根据本发明，一种从二极管固体激光器中产生时间、 光谱和空间稳定的全时低噪音激光输出的方法。其中，“二极管”是指一个或多个半导体激光器，所述半导体激光器发射具有与固体激光器增益介质的吸收光谱相匹配的波长的激光束，所述方法包括以下步骤：通过贴在二极管和固体激光器增益介质上的一个或多个热电控制器调整和维持二极管和固体激光器增益介质的操作温度；直流发电机产生发电机直流偏置；生成可调整的振幅和频率的射频 （RF）信号，远远高于本地振荡器的激光腔中的纵向模式的增长时间的倒数；叠加射频信号至直流偏置以生成调幅驱动电流；将调幅驱动电流通过输入耦合匹配阻抗注入二极管；通过自动功率控制回路调整直流偏置，并优化射频信号的振幅。调整直流偏置的步骤进一步包括以下步骤： 将一部分固体激光器的输出到外部的光子电子转换设备，固体激光器和二极管的光共振腔与任何杂散光完全隔离；放大由光子电子转换设备 收到的光子转换的电流；放大的电流与比较器的参数进行比较；并根据比较结果 调整的直流偏置。

[0068] 根据本发明，该方法进一步包括因过载保护限制正向驱动电流和分流反向电流远离激光器的步骤。

[0069] 根据本发明，还进一步的包括步骤衰减沿电源线传导的高频电磁噪声，以通过电子筛选经由电源线传递的电磁噪声提供激光器电能；以导电盒屏蔽激光，使衰减电磁辐射穿透所述盒体，该方法降低辐射、传导电磁干扰和提高激光的抗扰性。电筛选器的实现还减少了激光发射器的光学噪声。

[0070] 本发明的突出效果为：本发明是关于能有效产生在生物医学和医疗诊断及临床应用中所需的单色或多色产于单一器件的各种波长的新型半导体激光系统。该系统具有三低（低相干、低噪音、低散斑）和输出功率长时间稳定及光束照度长时间均匀的优点。技术主要表现在：对半导体激光二极管的驱动实行调制；有效克服了跳模现象；该技术能成功用于各种波长的激光二极管。以该技术为基础的WhisperITTM激光模块系列能产生红外，可见，紫外各种光谱，包括常用波长635，532，及405纳米。可通过空间或尾纤耦合，创新的混频技术有效消除了“绿光问题”，使大量有用波长能从轻便整合的全固体器件中产生。尤其重要的是许多在生物医学和医疗诊断及临床应用中非常有用而难于通过传统技术产生的波长可由这类新型半导体激光器获得。该技术还有能降低影像斑点的功能，在医用成像系统中大有可为。且轻巧，结构简单，操作方便，适合用于便携式仪器，从而大大简化了医疗诊断系统。

[0071] 以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

附图说明

[0072] 图1A是本发明实施例1从半导体激光器产生时间、光谱和空间稳定的全时低噪音激光输出的方法的流程图；

[0073] 图1B是本发明实施例1用自动功率控制回路调整直流偏置的程序流程图；

[0074] 图1C是本发明实施例1优化射频信号幅度的程序流程图；

[0075] 图2A是本发明实施例2从半导体激光器产生时间、光谱和空间稳定的全时低噪声激光输出的替代方法的流程图；

[0076] 图2B是本发明实施例2用自动电流控制回路调整直流偏置的程序流程图；

[0077] 图3A是本发明实施例3从二极管抽运固体激光器产生时间、光谱和空间稳定的全时低噪声激光输出的方法的流程图；

[0078] 图3B是本发明实施例3发射波长依赖二极管操作温度和优化泵能量的有效吸收步骤；

[0079] 图4a~图4b是本发明实施例1~3的光学RMS噪声，射频信号幅度，输出波形和488纳米激光光谱的关系图，其中图4a的Vrf = 0 V , RMS 噪声 = 0.18%；图4b的 Vrf= 3.3 V ，RMS 噪声 = 0.18%；图4c的 Vrf = 4.9 V，RMS噪声 = 0.09%；图4d的 Vrf = 6.0 V ， RMS 噪声 = 0.07%；其中Vrf表示叠加到直流偏置的射频信号的最大电压；

[0080] 图5是本发明实施例1~3的488纳米激光模块的全时低噪音激光输出，与现有技术结果的比较图；

[0081] 图6是按照本发明实施例1~3的组建的488纳米激光模块的时间稳定激光手术图；

[0082] 图7是本发明实施例1~3的在不同时间即时测量从发明的488纳米激光模块发出的稳定的光谱图；

[0083] 图8a是当操作温度从20℃至25℃变化时，采用本发明方法的GaN基宽域激光发射器的横向外形的稳定性图；

[0084] 图8b是不采用本发明方法的GaN基宽域激光发射器的横向外形的稳定性图。

具体实施方式

[0085] 实施例1

[0086] 本实施例披露一种低噪声激光模块，它通过在激光组件外部使用一种前端面光电二极管的射频调制驱动电流和光功率控制系统实现在时间，频谱和空间上的稳定。

[0087] 如图1A所示，对发明方法的流程图的介绍，该发明方法包括了通过一种固定在激光器外部的半导体制冷器实现调整和维持半导体激光器操作温度的步骤；从直流电发电器产生直流电偏压，其中直流电偏压的大小大致根据所需激光输出功率与半导体激光器电流功率曲线的平均斜率的比值；从本地振荡器产生一个可调整振幅的射频信号；把射频信号叠加到直流电偏压上来产生一个振幅已被调制好的驱动电流；通过一个匹配的电阻将这个振幅已被调制好的驱动电流注入到半导体激光器；通过自动功率控制回路调整直流电偏压；完善射频信号的振幅。更好的，射频信号的波形及其衍生能随时间的推移而平滑地不间断的改变，这样激光器输出波长能连续延伸。另外，射频信号的频率要比激光器腔内纵向模式的组成时间的倒数更高。电阻匹配对于有着相当高的跨电极电压降的GaN基激光二极管是相当重要的，因为射频信号的频率要比激光器腔内纵向模式组成时间的倒数高相当多。对于有着多个横向模式的大面积发射器，驱动电流的平均变换率至少要达到0.1 mA/ns，据此激光束才能在时间和空间上稳定。

[0088] 如图1B所示，调整直流电偏压的步骤进一步包括了将完全与杂散光分离的一部份激光输出到激光器外部的光电转换装置的步骤。放大经光电装换装置接受光子转换成的电流，在一个比较器内比较放大后的电流再根据比较结果调节直流电偏压。与反馈电流的比较标准是预先设定的，这样当射频信号应用时激光器输出功率就能与所需标准相符。

[0089] 着重注意的是，即使射频信号被应用，激光器在如扩大的输出频谱所显示的多模式状态，光学噪音仍旧很高，除非射频信号的振幅大到足够消除前期运行周期的记忆，还要抑制放大自发辐射。必然的，本发明方法包含了通过监视激光器输出波形和光谱来优化射频信号振幅的步骤。只有满足了这最后一个条件，一个全时低噪音的激光操作才完成。如图1C所示，优化射频信号振幅步骤进一步包括设置射频信号振幅值在0与减去了界限电流值后的直流电偏压值之间，渐渐增加射频信号振幅同时监测激光器输出功率波形和输出光谱；选出在每个循环中至少部分激光器输出功率波形达到0的振幅（暂时关闭）, 尤其是时间超过在激光器腔内纵向模式衰减时间，激光器输出光谱变得稳定。此后，稳定光谱意味着光谱随单个信号峰变宽，光谱包络随时间没有明显的改变，另外，这种稳定不会随进一步增加射频信号的振幅而有明显改善。稳定光谱也是消除了模式跳和模式分区及大幅度抑制了自发放大辐射的信号。

[0090] 对于在脉冲模式下的激光器操作，在图1B中描述的自动功率控制程序可能会变得无效。代替的自动电流控制回路能更好的使用。

[0091] 实施例2

[0092] 本实施例如图2A所示，该方法包括了通过一种固定在激光器上的半导体制冷器来调整和维持半导体激光器操作温度的步骤，从直流电发生器中产生一个直流电偏压；从本地振荡器产生可调振幅的射频信号；重叠射频信号和直流电偏压来产生已调幅的驱动电流；将调幅后的驱动电流经配有匹配阻抗的输入耦合注入到半导体激光器，通过自动连流控制回路调整直流电偏压；同时优化射频信号振幅。

[0093] 图2B显示了调整直流电偏压的步骤，进一步包括了通过电流传感电阻对直流电电流采样，用比较器将采样电流与基准进行对比，根据比较结果调整直流电偏压，与反馈电流的比较基准是预置的，这样当射频信号应用时激光器输出功率就能符合所需标准。

[0094] 实施例3

[0095] 在固态激光系统中，波动的强度和/或泵激光器的发射光谱可能会动摇固态激光器的光输出。 具有时间、光谱和空间稳定的泵源，基准参考图3A，本发明所示的固态激光系统构造流程图，具体的使二极管泵固态激光器全时低噪音稳态操作的方法包括如下步骤，调整和维持二极管的操作温度，固态激光器通过一个或多个贴在二极管上的热电控制器来增益介质。直流电发生器产生直流电偏压，此处直流电偏压大致取决于所需激光器输出功率与半导体激光器电流功率曲线的平均斜率的比率，从本地振荡器产生可调节振幅的射频无线电信平率号，而且此频率要比在激光器腔内纵向模式建立时间的倒数实质上高相当多，叠加射频信号到直流电偏压上来产生调制过振幅的驱动电流，通过一个配有匹配阻抗的出入耦合将调制过振幅的的驱动电流注入到二极管，通过自动功率控制回路调整直流电偏压，同时优化射频信号振幅。调整直流电偏压的步骤进一步包括交付部分完全隔离出任何杂散光的固态激光输出到固态激光器光学腔和二极管外部的光电转换装置的步骤，放大被光电转换装置接收光子转换来的电流，用比较器将放大的电流与参照进行比较，其中参照根据固态激光器所需的输出功率预设，并根据比较结果调整直流电偏压。

[0096] 图3B显示温度取决于作为固态激光器泵源的典型的激光器二极管的输出波长和通过调整激光器二极管操作温度来优化泵源的吸收作用效果的方案，这样输出波长匹配产生激光的吸收光谱增益介质。如图3B所示，最好的匹配发现是在Top。可以通过比如热电控制器来完成调节激光器二极管的操作温度。

[0097] 作为本发明最重要的应用，本发明方法能使在连续波或脉冲模式下生产蓝、绿、橙和红色激光束。根据本发明构建的全时低噪音稳态二极管泵固态激光器系统中，固态激光器材料有多种能级允许跃迁到蓝、绿、橙和红色区域，一个此种激光其材料例子是三价镨掺杂化合物，泵源是一种在短时间、光谱和空间上稳定的GaN基短波长激光器，最好是一个大面积放射器。

[0098] 为了保护半导体激光器免于损坏，在图1A，图2A和图3A中所阐述方法须进一步包括限制正向电流的过载保护和从激光器中分流反向电流的步骤。这一步可以通过并联在半导体激光器上的诸如齐纳二极管的电压调节器来实现，有了这一保护电路，最大驱动电流被限制到Vz/Ri，其中Vz表示齐纳电压，Ri表示激光器二极管的内阻，同时反向驱动电流永远不会超过Vf/Ri ，Vf表示齐纳二极管正向电压。

[0099] 为了减少辐射和引导对外界环境的电磁干扰，增强半导体激光器的抗干扰性，在图1A，图2A和图3A中所阐述方法须进一步包括使得半导体激光器与外界环境隔离的电磁隔离模块的步骤，该步骤通过连接电路板的电子低通滤波器，电源线，罩在激光模块上的导电屏蔽盒实现。实现该步骤的另外一个好处是进一步减少了激光发射噪音。

[0100] 现有技术的缺点是，建立在每个射频周期的模式可能是高度相关，这使得统计平均值随着时间的推移无效，而ASE可能强大到足以当激光关闭时产生光噪声。为了了解优化操作参数在降噪和整个过程的步骤中的重要性，进行了实验，结果，由其中的光学RMS噪声，外加射频信号幅度以及激光输出波形和频谱的关系描述显示在图4。图4a显示了在没有射频信号应用到驱动电流时的激光输出波形和频谱。图4b显示了在所施加的射频信号的幅度比直流偏置和阈值电流之间的差值小的时候的这些属性。没有在RMS降噪方面改善。图4c显示了当施加的射频信号的幅度等于或略高于直流偏置和阈值电流之间的差值时，光RMS噪声大幅度增加。虽然频谱扩大了，它并不稳定，说明模式跳跃和/或模式分区的存在。这实际上是大多数现有技术的实现情况。在这种情况下，激光周期地开启和关闭。然而，激光手术关断时间不够长得足以消除在上一个周期的纵向模式的记忆和抑制ASE。进一步增加施加射频信号的幅度到达这样一个层次上的纵向模式随机建立在每个周期，ASE在激光衰减时被抑制，如图4d显示的稳定光谱，全时低噪声激光手术实现了。如图1C所示的流程图描述了优化射频信号振幅的步骤。应该指出，优化的参数取决于激光的具体特点和控制电路的设计。优化调制深度对于宽隙III - V族半导体激光器是尤为重要的，特别是由于自发辐射比较强的 GaN 基短波长 （典型的蓝色或紫色） 激光二极管。

[0101] 虽然RMS 噪声测量图 4b和图 4 c较低，但它们不是全时低。图 5 显示应用本发明的来自发出 488 nm 相干光的GaN 基激光器的全时低噪音激光输出（曲线a）与自由运行488 nm 激光器的结果（曲线b）进行比较。可见曲线a波动小噪音低，比曲线b波动大噪音高。

[0102] 如图6所示，按照本发明组建的488纳米激光模块的时间稳定输出功率。有利的是，激光输出功率稳定，即使模块的盒子温度循环。

[0103] 根据本发明，通过在随机和不断变化的光谱中生成的大多数纵向模式的统计平均值，实现了全时低光噪声和光谱稳定的激光手术。如图 7 所示，从按照本发明建造的GaN488 nm 激光模块发射的光谱，并即时的在不同时间测量的光谱是几乎完全一致，即是说，达到了发射谱的时间稳定性。

[0104] 对于宽域发射激光器，为了空间均匀性和稳定性，瞬变值或非稳态纵向和横向模式的统计平均值是必要的。要获得瞬态或非恒定状态模式，激光驱动电流是具有至少 0.1 mA/ns的平均变化率的射频调制，这样在每一个调制周期内，纵向模式和横向模式建设的竞争是不完全的，或在足够高的频率连续摄动模式，以避免低阶横模达到稳定状态。如图 8 a和图8b所示的曲线就可见一斑，由于本发明在激光模块的应用，当环境温度温度从20℃到25℃，GaN 基的宽域激光发射器的横向波形始终是几乎不变的。

[0105] 本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。