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激光与光电子学进展
,
(
)
«
中国激光
»
杂志社
半导体激光器波分复用合束技术研究进展
孙 舒 娟
,
,
,
郭 林 辉
,
,
谭 昊
,
,
孟 慧 成
,
,
阮 旭
,
,
,
闫 雪 静
,
,
,
张 旭 光
,
,
,
武 德 勇
,
,
高 松 信
,
中国工程物理研究院应用电子学研究所
,
四川 绵阳
;
中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室
,
四川 绵阳
;
中国工程物理研究院研究生部
,
北京
摘要
受波导结构和芯片封装等因素的限制
,
半导体激光器快慢轴方向上的光 束质量 差 距较大
.
半导 体 激光器 主
要用作抽运源
,
即亮度转换器
,
很难作为高亮度光源 被 直 接 应 用
.
介 绍 了 提 高 半 导 体 激 光 器 输 出 光 功 率 密 度 和 输
出光束质量的非相干合束技术
———
波分复用合束技术
,
并总结了其国内外发展 现 状及若 干 重要动 向
.
该研 究 为半
导体激光器波分复用合束技术的发展提供了参考
.
关键词
激光器
;
半导体激光器
;
波长复用合束
;
波长锁定
;
波长间隔
中图分类 号
文献标识 码
doi
:
/
Pro
g
resson Wavelen
g
thDivision Multi
p
lexin
g
Beam Combinin
g
Technolo
gy
forDiodeLasers
Instituteo
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A
pp
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En
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Laborator
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GraduteSchool
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En
g
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Ph
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Bei
j
in
g
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
:
;
收到修改 稿日期
:
基金项目
:
中国工程物理研究院重大项目课题
(
)
作者简介
:
孙舒娟
(
—),
女
,
硕士研究生
,
主要从事半导体激光器合束技术方面的研究
.
:
导师简介
:
武德勇
(
—),
男
,
硕士
,
研究员
,
主要从事高功率半导体激光技术方面的研究
.
:
通信联系 人
.
:
,
(
)
激光与光电子学进展
引
言
半导体激光器具有效率高
、
结构紧凑
、
波长范围
宽
、
成本 低
、
可靠 性高 等优 良特 性
.
然而
,
传统 的半
导体激光器存在光谱特性差
、
光束质量差
、
直接输出
功率和亮度低等不足
.
为减小光纤激光器的非线性
效应
、
简化固体激光 器 谐振腔 设 计并扩 展 半导体 激
光器在工 业 加 工 和 碱 金 属 激 光 器 抽 运 等 方 面 的 应
用
,
需要解决一个重要 技 术问题
,
即获得 高 功率
、
高
亮度
、
高光束质量的直接半导体激光光源
.
美国
、
德
国已将该技术问题列入国家重大计划
[
]
,
而激光合
束技术被证明是解决该难题的有效方法之一
.
对半导体激光输出进行合束
,
常用 的方 法有 空
间合束
[
]
、
偏振合束
[
]
和 波 长 合 束
[
]
.
空 间 合 束 在
提高功率的同时会在一定程度上降低光束质量和亮
度
;
偏振合束利用偏 振合束 器 件将偏 振 方向互 相 垂
直的两束光合成一束
,
可在不 改 变光束 质 量的情 况
下 将 功 率 和 亮 度 翻 倍
[
]
;
波 长 合 束 又 称 波 分 复 用
(
),
是 将 两 个 或 两 个 以 上 不 同 波 长 的 半 导 体
激光器出射的光合成 一 束
,
得到与 单 束光光 束 质量
相当
、
亮度提高数倍的激光输出
,
技术已逐渐
成为研究热点
,
并取得了一些突破
,
输出功率达到了
数千瓦级
.
美 国
公 司 在
年 运 用 波
长合 束 技 术 获 得 光 纤 芯 径 为
、
数 值 孔 径 为
、
输出功率为
的光纤耦合半导体激光模
块
,
激光亮度达到
,
该激光 模
块可以与同等量级工业应用的光纤激光器及二氧化
碳激光 器 相 比 拟
[
]
.
德 国
公 司 于
年采用多单管堆叠模块化方式
,
利用 分色 镜对
间隔为
的
个波长进行复用
,
展示了电光效
率超过
的
和
产品
,
其光束质量达到
[
]
.
国内对波分复用合束技术的研究
起步较晚
,
北京工业大学
[
]
、
中国 科学 院长 春光 学
精密机械与 物 理 研 究 所
[
]
、
四 川 大 学
[
]
、
中 国 工
程物理研究院应用电子学研究所
[
]
进行了相关的
研究
,
但都只 是 在 技 术 可 行 性 方 面 做 了 初 步 验 证
.
半导体激光器的波分复用合束技术被证明是提高半
导体激光器光束质量
、
实现高亮度输出
、
改善光谱特
性有效的合束技术之一
.
半 导 体 激 光 器 波 分 复 用 合 束 技 术
原理及分类
相比空间合束
、
偏振合束
,
波分复用合束技术以
窄合束波长间隔为目 标
,
从半导 体 激光器 内 部或外
部波长选择光学元件 间 相互作 用 出发
,
采用半 导 体
激光器芯片内置或外置波长选择元件及合束元件的
方式实现单个合束单元波长锁定和多个合束单元合
束输出
.
21
波分复用合束技术原理
图
为合束 原 理 示 意 图
.
图
(
)
所 示 为 空 间
合束
,
光束的空间堆叠能够成倍提高输出功率
,
输出
功率与合束单元数量成正比
,
即
P
=
NP
, (
)
式中
P
为合束后光功率
,
N
为合束单元数量
,
P
为
合束单元光功率
.
合束后
,
光参数 积 随合束 单 元数
量的增大而增大
,
可表示为
J
=
Nω
θ
, (
)
式中
J
为合束 后的 光参 数积
,
ω
为合 束单 元束 腰
半径
,
θ
为合束 单 元 光 束 发 散 角
.
合 束 后 光 束 的 亮
度为
B
=
P
/
J
NP
/
AΩ
, (
)
式中
A
为合束后发 光 面 积
,
Ω
为 光 束 空 间 角
,
B
为
合束后光束亮度
.
可见空间合束中亮度不随合束单
元数量的增加而增大
[
]
.
图
合束原理示意图
.(
)
空间合束
;(
)
波分复用合束
如 图
(
)
所 示
,
波 分 复 用 将 两 个 波 长
(
λ
和
λ
)
或两个以 上 不同波 长 的 半 导 体 激 光 器 出
射光束合成一束
,
能够同时使亮度和功率成倍提高
,
且保持光参数积不变
[
]
.
从合束的波长间隔
λ
来
看
,
波分复用分为稀疏和密集波分复用两种
,
其典型
波 长 间 隔
λ
的 变 化 范 围 为
或
[
]
.
密集波分复用需要对每一个合束单元进行波长
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