中国科学院长春光机所：超越激光光谱合束光束质量限制

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       近期，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的研究团队突破了光谱合束光束质量无法超越单元器件光束质量这一原理上的限制，为制备更高光束质量半导体激光器提供了一条新的技术路径。

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合束或组束是一种提升激光功率和亮度的有效方法，在高功率半导体激光、光纤激光中已经得到了广泛的应用。光谱合束是一种利用色散元件实现多束激光非相干组束的一种方法，相比于相干合束，它不需要相位的高精度控制，同时也是非相干合束技术中光束质量最好的一种方法，其最早由美国MIT林肯实验室提出。国际上采用此种方法已实现万瓦光纤激光器、8千瓦光纤耦合半导体激光器(光束质量因子M²～11)。然而，光谱合束方法存在一个光束质量的限制，即合束系统的光束质量可以接近但无法超过单元激光器的光束质量。

针对这一难题，中科院长春光机所研究团队从光谱合束原理入手，创新性地提出了一种小角度V型外腔反馈光谱合束方法，突破了传统光谱合束中的光束质量限制难题，实现了优于合束单元激光器3~4倍的光束质量，半导体激光的亮度达到122 MW/cm²str。该方法的原理是将半导体线阵激光准直后，采用光束变换器(BTS)调换快慢轴方向，再经傅里叶变换镜投影到衍射光栅上，利用光栅的色散分束特性将光分成多个波长，通过与光束部分交叠的高反镜反馈形成V型外腔，最后合束的激光从高反镜下面出射。与MIT林肯实验室提出的光谱合束方法相比，该方法的优点是不需要输出耦合镜，激光的光束质量和功率可以通过高反镜与光束的交叠面积和角度(<10°)来控制。实验证明可以将半导体激光器慢轴M²因子从单元器件的10~14改善到3.76，突破了光谱合束光束质量无法超越单元器件光束质量这一原理上的限制。

图1 小角度V型外腔光谱合束方法示意图

图2 小角度V型腔光谱合束(VSBC)与传统光谱合束(SBC)、无合束下效率对比

图3 调节光束与高反镜交叠尺寸l₁实现光束质量的调控

相关成果以Go beyond the beam quality limit of spectral beam combining of diode lasers in a V-shaped external cavity为题发表在Optics Express [26(11): 14058, 2018]上。研究团队首席科学家为王立军院士，团队负责人为佟存柱研究员。该工作得到了国家自然科学基金委重大项目(61790584）的资助，所提出的激光合束创新方法已经申请了中国发明专利(CN201711171795.2)和美国发明专利(申请号：16/048, 880)。

论文链接: 

https://doi.org/10.1364/OE.26.014058

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