正文

高功率半導體激光器的合束技術

1，空間合束

空間合束是利用反射鏡將不同的芯片發出來的光束，合并到同一個方向和相近的位置輸出的光束。空間合束后，僅僅改變的是光束的排列，每個合束的單元不會相互影響。

圖1-1 空間合束原理示意圖

合束過程中需要把激光器如圖1-1位置放置，其中光束1不需要經過反射鏡反射，可以直接傳輸到耦合透鏡上，而光束2和光束3則需要分別經過M2和M3進行90度的反射，最后以相同的方向傳輸到耦合透鏡上，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光纖。可以看出空間合束本身并不改變單個光斑的光束質量，但是把所有的光束合成同一個光束時，可以看出來，快軸方向的光束質量沒有變化，而慢軸方向上多個光束緊密排列，加大慢軸方向的光參量積，所以在進行空間合束時盡量將光斑之間的暗區減小，從而提高激光輸出功率和激光亮度。

2，波長合束

波長合束是將兩個以上不同波長的激光束通過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鍍膜形成的帶通或者高通低通等波長合束器。

圖2-1 波長合束示意圖

LD1經過合束器1，合束器1在兩面的膜層都對LD1波長按照45度入射達到增透;LD2經過合束器1的反光面反射，該面的膜層不僅對LD1波長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LD1和LD2的波長在45度方向上有高的透過率，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波長的高透和LD3波長的高反。

不同波長的激光可以這種方法進行合束，能夠極大的提高亮度，但是因為波長不同，使用起來也會受限制，并且限于渡膜的難度，合束的個數也不會太多。波長合束的關鍵技術在于波長合束器對光的反射和投射能力，想要獲得高的耦合效率，必須對鍍膜提出很高的要求，并且由于半導體激光器對于溫度的敏感性，溫飄造成波長偏移，如果合束器的波長選擇范圍較小，導致相近的波長耦合在一起的效率降低。

3，偏振合束

目前商用的半導體激光器的光偏振度能達95%-98%，偏振合束是利用偏振合束器將兩束偏振態相互垂直的激光合成一束，在保持光束質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率高，但是也和其他棱鏡有一樣的缺陷，孔徑角小，導致耦合效率低，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，所以調節難度較大。而薄膜干涉型偏振分束鏡有更多的優點，例如安裝調整更方便，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。當光經過半波片以后，引入了π的奇數倍相位延遲，出射光振動方向發生了改變，仍然是線偏振光。當入射的線偏振光的振動方向與半波片的主軸方向成45°時，激光的偏振方向轉動90°，與原來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

以上合束方法都可以實現光束能量的疊加，各有優缺點。波長合束選擇波長合束器和合適波長的單元實現高效的合束光輸出，從理論上講可以無限的增加耦合的單元個數。但是由于器件對波長的選擇性，使合束受到限制;另外膜層的鍍制需要比較復雜，成本高;再有半導體激光器工作過程的波長隨溫度的變化導致透過波長合束器的效率降低。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。空間合束相對來說方法簡單，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勢，填充了該方向上光纖的空余光參量積。但是調節時需要嚴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。

現今大多數高功率半導體激光器廠商在生產激光器耦合模塊時，多采用空間合束方法。昊量光電獨家代理的Cinogy光束質量分析可以準確實時的顯示光斑形狀及位置，有助于生產過程中確定光束排列是否緊密等問題。

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審核編輯：湯梓紅