该设计保持亮度并将损耗降至极低水平。

以色列研究人员研制出一种微型光学设备，可简化高功率激光系统。这项技术能将数十个半导体激光器的光高效合并到一根光纤中，同时将能量损耗保持在极低水平。

该设备采用3D打印结构，被称为光子灯笼。它将多个小型激光器的光束引导至一根多模光纤中，且不降低亮度。

研究人员表示，这项技术有望帮助依赖高功率光纤激光器的行业，包括制造业、通信和国防领域。

该研究由耶路撒冷希伯来大学应用物理研究所教授丹·M·马罗姆指导，博士生约阿夫·达纳主导。研究团队与Civan Lasers公司合作，并获得了以色列创新管理局的支持。

这项研究展示了高功率激光系统中光束合并硬件在微型化和可扩展性方面的新水平。

新型光子灯笼设计

传统光子灯笼将多个单模输入合并到一个多模波导中。然而，大多数高功率半导体激光器以多种空间模式运行。这种不匹配长期以来限制了工程师合并激光输出的效率。

希伯来大学团队通过重新设计光子灯笼架构应对了这一挑战。

他们的设备采用了一种称为N-MM光子灯笼的新型结构。它允许多个多模垂直腔面发射激光器（VCSEL）直接输入到一根多模光纤中。

该团队展示了能够合并7个、19个和37个VCSEL激光器的光子灯笼。每个激光器在六种空间模式下运行。

整个系统支持多达222种空间模式进入一根多模光纤。

这种结构在保持亮度的同时简化了对准要求。传统的中继透镜设置往往会降低光束质量或需要精确对准。

而新型光子灯笼匹配了激光器和光纤的模容量。这一设计保持了光学亮度不变，这对高功率激光性能至关重要。

紧凑的高功率扩展

这种新型光学设备还实现了显著的尺寸缩减。

研究人员通过先进的3D微打印技术制造了该结构。整个光子灯笼的长度不到半毫米。即使是最大配置也极为小巧。37输入的设备仅长470微米。尽管尺寸小，但光子灯笼的效率很高。

测试显示，19输入设计的耦合损耗低至–0.6分贝，37输入版本的损耗约为–0.8分贝。

这些数字表明，光能够高效传输到标准的50微米多模光纤中。

在合并多个激光器时，保持低损耗至关重要。微小的效率损失会迅速降低系统输出功率。

研究人员在光子灯笼内部设计了一种绝热光学过渡结构。这种结构将多个少模输入逐步转换为一个多模光纤通道。

这种过渡保持了系统的光学自由度，同时最大限度地减少了散射或功率损耗。

研究结果展示了一种可扩展的非相干光束合并方法。光子灯笼无需强制激光器同步相位，仅通过高效合并输出即可实现。

这种能力可能有助于工程师构建更紧凑的高功率激光系统，也可能惠及基于光纤的光通信网络和传感技术。

如果该方法进一步扩展，制造商可以将数百个半导体激光器合并到一个光纤通道中。

这一能力将显著提高基于光纤的激光系统的输出功率，同时保持硬件紧凑。

该研究发表在《自然·通讯》期刊上。

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