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設備，可簡化高功率激光系統。這項技術能將數十個半導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。

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

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

該研究由耶路撒冷希伯來大學應用物理研究所教授丹·M·馬羅姆指導，博士生約阿夫·達納主導。研究團隊與Civan Lasers公司合作，并獲得了以色列創新管理局的支持。

這項研究展示了高功率激光系統中光束合并硬件在微型化和可擴展性方面的新水平。

新型光子燈籠設計

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

希伯來大學團隊通過重新設計光子燈籠架構應對了這一挑戰。

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

該團隊展示了能夠合并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行。

整個系統支持多達222種空間模式進入一根多模光纖。

這種結構在保持亮度的同時簡化了對準要求。傳統的中繼透鏡設置往往會降低光束質量或需要精確對準。

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

緊湊的高功率擴展

這種新型光學設備還實現了顯著的尺寸縮減。

研究人員通過先進的3D微打印技術制造了該結構。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。

這些數字表明，光能夠高效傳輸到標準的50微米多模光纖中。

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

研究人員在光子燈籠內部設計了一種絕熱光學過渡結構。這種結構將多個少模輸入逐步轉換為一個多模光纖通道。

這種過渡保持了系統的光學自由度，同時最大限度地減少了散射或功率損耗。

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

這種能力可能有助于工程師構建更緊湊的高功率激光系統，也可能惠及基于光纖的光通信網絡和傳感技術。

如果該方法進一步擴展，制造商可以將數百個半導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的輸出功率，同時保持硬件緊湊。

該研究發表在《自然·通訊》期刊上。

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