高功率半导体激光器的合束技术

正文

高功率半导体激光器的合束技术

1，空间合束

空间合束是利用反射镜将不同的芯片发出来的光束，合并到同一个方向和相近的位置输出的光束。空间合束后，仅仅改变的是光束的排列，每个合束的单元不会相互影响。

图1-1 空间合束原理示意图

合束过程中需要把激光器如图1-1位置放置，其中光束1不需要经过反射镜反射，可以直接传输到耦合透镜上，而光束2和光束3则需要分别经过M2和M3进行90度的反射，最后以相同的方向传输到耦合透镜上，这样光束2和光束3就可以和光束1在慢轴方向上叠加后耦合进光纤。可以看出空间合束本身并不改变单个光斑的光束质量，但是把所有的光束合成同一个光束时，可以看出来，快轴方向的光束质量没有变化，而慢轴方向上多个光束紧密排列，加大慢轴方向的光参量积，所以在进行空间合束时尽量将光斑之间的暗区减小，从而提高激光输出功率和激光亮度。

2，波长合束

波长合束是将两个以上不同波长的激光束通过合束器合束在一条光路，这种情况完全不改变光束的光束质量，输出功率加倍，大大增加了输出光束的亮度。合束所使用的器件一般都是通过镀膜形成的带通或者高通低通等波长合束器。

图2-1 波长合束示意图

LD1经过合束器1，合束器1在两面的膜层都对LD1波长按照45度入射达到增透;LD2经过合束器1的反光面反射，该面的膜层不仅对LD1波长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，保证该方向上LD2光损耗低;同样道理，合束器2的入光面需要对LD1和LD2的波长在45度方向上有高的透过率，在出光面和反光面上镀制的膜层需要在45度方向上满足LD1和LD2波长的高透和LD3波长的高反。

不同波长的激光可以这种方法进行合束，能够极大的提高亮度，但是因为波长不同，使用起来也会受限制，并且限于渡膜的难度，合束的个数也不会太多。波长合束的关键技术在于波长合束器对光的反射和投射能力，想要获得高的耦合效率，必须对镀膜提出很高的要求，并且由于半导体激光器对于温度的敏感性，温飘造成波长偏移，如果合束器的波长选择范围较小，导致相近的波长耦合在一起的效率降低。

3，偏振合束

目前商用的半导体激光器的光偏振度能达95%-98%，偏振合束是利用偏振合束器将两束偏振态相互垂直的激光合成一束，在保持光束质量不变的情况下使功率密度加倍，从而提高激光输出的亮度。

图3-1 偏振合束原理示意图

偏振合束器有晶体偏振棱镜和薄膜干涉偏振分束镜，晶体棱镜中的格兰泰勒棱镜比其他的晶体透过率高，但是也和其他棱镜有一样的缺陷，孔径角小，导致耦合效率低，另外晶体偏振棱镜的抗损伤阈值低，不适合用在高功率密度情况下;由于分光镜的出射光束不是相互垂直，且棱镜底角范围有一定限制，所以调节难度较大。而薄膜干涉型偏振分束镜有更多的优点，例如安装调整更方便，增透膜的效率更高，只需要保证入射的两束光具有相互垂直的偏振方向就能达到较好的合束效果。耦合所用的激光器一般是相同的芯片，在合成过程中需要将其中一束改变偏振方向，采用的是半波片，一种相位延迟器。当光经过半波片以后，引入了π的奇数倍相位延迟，出射光振动方向发生了改变，仍然是线偏振光。当入射的线偏振光的振动方向与半波片的主轴方向成45°时，激光的偏振方向转动90°，与原来光的偏振方向互相垂直。则两束光就可以以不同的偏振方向合束在一起，提升亮度。

4，总结

以上合束方法都可以实现光束能量的叠加，各有优缺点。波长合束选择波长合束器和合适波长的单元实现高效的合束光输出，从理论上讲可以无限的增加耦合的单元个数。但是由于器件对波长的选择性，使合束受到限制;另外膜层的镀制需要比较复杂，成本高;再有半导体激光器工作过程的波长随温度的变化导致透过波长合束器的效率降低。偏振合束从理论上讲，只有两束激光可以合在一起，限制了光的亮度。空间合束相对来说方法简单，其制约因素只有反射镜的反射率，其原理是利用了光在快轴上光参量积小的优势，填充了该方向上光纤的空余光参量积。但是调节时需要严格保证光束与光束之间不相互遮挡，并且光束之间的距离做到越小越好。

现今大多数高功率半导体激光器厂商在生产激光器耦合模块时，多采用空间合束方法。昊量光电独家代理的Cinogy光束质量分析可以准确实时的显示光斑形状及位置，有助于生产过程中确定光束排列是否紧密等问题。

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