正文

高功率半導(dǎo)體激光器的合束技術(shù)

1，空間合束

空間合束是利用反射鏡將不同的芯片發(fā)出來(lái)的光束，合并到同一個(gè)方向和相近的位置輸出的光束?？臻g合束后，僅僅改變的是光束的排列，每個(gè)合束的單元不會(huì)相互影響。

圖1-1 空間合束原理示意圖

合束過(guò)程中需要把激光器如圖1-1位置放置，其中光束1不需要經(jīng)過(guò)反射鏡反射，可以直接傳輸?shù)?a href="http://m.greenbey.cn/tags/耦合/" target="_blank">耦合透鏡上，而光束2和光束3則需要分別經(jīng)過(guò)M2和M3進(jìn)行90度的反射，最后以相同的方向傳輸?shù)今詈贤哥R上，這樣光束2和光束3就可以和光束1在慢軸方向上疊加后耦合進(jìn)光纖?？梢钥闯隹臻g合束本身并不改變單個(gè)光斑的光束質(zhì)量，但是把所有的光束合成同一個(gè)光束時(shí)，可以看出來(lái)，快軸方向的光束質(zhì)量沒(méi)有變化，而慢軸方向上多個(gè)光束緊密排列，加大慢軸方向的光參量積，所以在進(jìn)行空間合束時(shí)盡量將光斑之間的暗區(qū)減小，從而提高激光輸出功率和激光亮度。

2，波長(zhǎng)合束

波長(zhǎng)合束是將兩個(gè)以上不同波長(zhǎng)的激光束通過(guò)合束器合束在一條光路，這種情況完全不改變光束的光束質(zhì)量，輸出功率加倍，大大增加了輸出光束的亮度。合束所使用的器件一般都是通過(guò)鍍膜形成的帶通或者高通低通等波長(zhǎng)合束器。

圖2-1 波長(zhǎng)合束示意圖

LD1經(jīng)過(guò)合束器1，合束器1在兩面的膜層都對(duì)LD1波長(zhǎng)按照45度入射達(dá)到增透;LD2經(jīng)過(guò)合束器1的反光面反射，該面的膜層不僅對(duì)LD1波長(zhǎng)45度方向上的光具有增透作用，而且需要在45度反射方向有高的反射率，保證該方向上LD2光損耗低;同樣道理，合束器2的入光面需要對(duì)LD1和LD2的波長(zhǎng)在45度方向上有高的透過(guò)率，在出光面和反光面上鍍制的膜層需要在45度方向上滿足LD1和LD2波長(zhǎng)的高透和LD3波長(zhǎng)的高反。

不同波長(zhǎng)的激光可以這種方法進(jìn)行合束，能夠極大的提高亮度，但是因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)不同，使用起來(lái)也會(huì)受限制，并且限于渡膜的難度，合束的個(gè)數(shù)也不會(huì)太多。波長(zhǎng)合束的關(guān)鍵技術(shù)在于波長(zhǎng)合束器對(duì)光的反射和投射能力，想要獲得高的耦合效率，必須對(duì)鍍膜提出很高的要求，并且由于半導(dǎo)體激光器對(duì)于溫度的敏感性，溫飄造成波長(zhǎng)偏移，如果合束器的波長(zhǎng)選擇范圍較小，導(dǎo)致相近的波長(zhǎng)耦合在一起的效率降低。

3，偏振合束

目前商用的半導(dǎo)體激光器的光偏振度能達(dá)95%-98%，偏振合束是利用偏振合束器將兩束偏振態(tài)相互垂直的激光合成一束，在保持光束質(zhì)量不變的情況下使功率密度加倍，從而提高激光輸出的亮度。

圖3-1 偏振合束原理示意圖

偏振合束器有晶體偏振棱鏡和薄膜干涉偏振分束鏡，晶體棱鏡中的格蘭泰勒棱鏡比其他的晶體透過(guò)率高，但是也和其他棱鏡有一樣的缺陷，孔徑角小，導(dǎo)致耦合效率低，另外晶體偏振棱鏡的抗損傷閾值低，不適合用在高功率密度情況下;由于分光鏡的出射光束不是相互垂直，且棱鏡底角范圍有一定限制，所以調(diào)節(jié)難度較大。而薄膜干涉型偏振分束鏡有更多的優(yōu)點(diǎn)，例如安裝調(diào)整更方便，增透膜的效率更高，只需要保證入射的兩束光具有相互垂直的偏振方向就能達(dá)到較好的合束效果。耦合所用的激光器一般是相同的芯片，在合成過(guò)程中需要將其中一束改變偏振方向，采用的是半波片，一種相位延遲器。當(dāng)光經(jīng)過(guò)半波片以后，引入了π的奇數(shù)倍相位延遲，出射光振動(dòng)方向發(fā)生了改變，仍然是線偏振光。當(dāng)入射的線偏振光的振動(dòng)方向與半波片的主軸方向成45°時(shí)，激光的偏振方向轉(zhuǎn)動(dòng)90°，與原來(lái)光的偏振方向互相垂直。則兩束光就可以以不同的偏振方向合束在一起，提升亮度。

4，總結(jié)

以上合束方法都可以實(shí)現(xiàn)光束能量的疊加，各有優(yōu)缺點(diǎn)。波長(zhǎng)合束選擇波長(zhǎng)合束器和合適波長(zhǎng)的單元實(shí)現(xiàn)高效的合束光輸出，從理論上講可以無(wú)限的增加耦合的單元個(gè)數(shù)。但是由于器件對(duì)波長(zhǎng)的選擇性，使合束受到限制;另外膜層的鍍制需要比較復(fù)雜，成本高;再有半導(dǎo)體激光器工作過(guò)程的波長(zhǎng)隨溫度的變化導(dǎo)致透過(guò)波長(zhǎng)合束器的效率降低。偏振合束從理論上講，只有兩束激光可以合在一起，限制了光的亮度。空間合束相對(duì)來(lái)說(shuō)方法簡(jiǎn)單，其制約因素只有反射鏡的反射率，其原理是利用了光在快軸上光參量積小的優(yōu)勢(shì)，填充了該方向上光纖的空余光參量積。但是調(diào)節(jié)時(shí)需要嚴(yán)格保證光束與光束之間不相互遮擋，并且光束之間的距離做到越小越好。

現(xiàn)今大多數(shù)高功率半導(dǎo)體激光器廠商在生產(chǎn)激光器耦合模塊時(shí)，多采用空間合束方法。昊量光電獨(dú)家代理的Cinogy光束質(zhì)量分析可以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的顯示光斑形狀及位置，有助于生產(chǎn)過(guò)程中確定光束排列是否緊密等問(wèn)題。

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審核編輯：湯梓紅