工程師利用微型光子燈籠將222種激光模式合并到一根光纖中

該設(shè)計保持亮度并將損耗降至極低水平。

以色列研究人員研制出一種微型光學(xué)設(shè)備，可簡化高功率激光系統(tǒng)。這項技術(shù)能將數(shù)十個半導(dǎo)體激光器的光高效合并到一根光纖中，同時將能量損耗保持在極低水平。

該設(shè)備采用3D打印結(jié)構(gòu)，被稱為光子燈籠。它將多個小型激光器的光束引導(dǎo)至一根多模光纖中，且不降低亮度。

研究人員表示，這項技術(shù)有望幫助依賴高功率光纖激光器的行業(yè)，包括制造業(yè)、通信和國防領(lǐng)域。

該研究由耶路撒冷希伯來大學(xué)應(yīng)用物理研究所教授丹·M·馬羅姆指導(dǎo)，博士生約阿夫·達(dá)納主導(dǎo)。研究團(tuán)隊與Civan Lasers公司合作，并獲得了以色列創(chuàng)新管理局的支持。

這項研究展示了高功率激光系統(tǒng)中光束合并硬件在微型化和可擴(kuò)展性方面的新水平。

新型光子燈籠設(shè)計

傳統(tǒng)光子燈籠將多個單模輸入合并到一個多模波導(dǎo)中。然而，大多數(shù)高功率半導(dǎo)體激光器以多種空間模式運(yùn)行。這種不匹配長期以來限制了工程師合并激光輸出的效率。

希伯來大學(xué)團(tuán)隊通過重新設(shè)計光子燈籠架構(gòu)應(yīng)對了這一挑戰(zhàn)。

他們的設(shè)備采用了一種稱為N-MM光子燈籠的新型結(jié)構(gòu)。它允許多個多模垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）直接輸入到一根多模光纖中。

該團(tuán)隊展示了能夠合并7個、19個和37個VCSEL激光器的光子燈籠。每個激光器在六種空間模式下運(yùn)行。

整個系統(tǒng)支持多達(dá)222種空間模式進(jìn)入一根多模光纖。

這種結(jié)構(gòu)在保持亮度的同時簡化了對準(zhǔn)要求。傳統(tǒng)的中繼透鏡設(shè)置往往會降低光束質(zhì)量或需要精確對準(zhǔn)。

而新型光子燈籠匹配了激光器和光纖的模容量。這一設(shè)計保持了光學(xué)亮度不變，這對高功率激光性能至關(guān)重要。

緊湊的高功率擴(kuò)展

這種新型光學(xué)設(shè)備還實現(xiàn)了顯著的尺寸縮減。

研究人員通過先進(jìn)的3D微打印技術(shù)制造了該結(jié)構(gòu)。整個光子燈籠的長度不到半毫米。即使是最大配置也極為小巧。37輸入的設(shè)備僅長470微米。盡管尺寸小，但光子燈籠的效率很高。

測試顯示，19輸入設(shè)計的耦合損耗低至–0.6分貝，37輸入版本的損耗約為–0.8分貝。

這些數(shù)字表明，光能夠高效傳輸?shù)綐?biāo)準(zhǔn)的50微米多模光纖中。

在合并多個激光器時，保持低損耗至關(guān)重要。微小的效率損失會迅速降低系統(tǒng)輸出功率。

研究人員在光子燈籠內(nèi)部設(shè)計了一種絕熱光學(xué)過渡結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)將多個少模輸入逐步轉(zhuǎn)換為一個多模光纖通道。

這種過渡保持了系統(tǒng)的光學(xué)自由度，同時最大限度地減少了散射或功率損耗。

研究結(jié)果展示了一種可擴(kuò)展的非相干光束合并方法。光子燈籠無需強(qiáng)制激光器同步相位，僅通過高效合并輸出即可實現(xiàn)。

這種能力可能有助于工程師構(gòu)建更緊湊的高功率激光系統(tǒng)，也可能惠及基于光纖的光通信網(wǎng)絡(luò)和傳感技術(shù)。

如果該方法進(jìn)一步擴(kuò)展，制造商可以將數(shù)百個半導(dǎo)體激光器合并到一個光纖通道中。

這一能力將顯著提高基于光纖的激光系統(tǒng)的輸出功率，同時保持硬件緊湊。

該研究發(fā)表在《自然·通訊》期刊上。

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