Товар добавлен в корзину
Перейти в корзину
Разработка и поставка лазерно-оптических компонентов и оборудования.
Резидент Технопарка ИТМО
+7 (812) 612-99-82
Санкт-Петербург
+7 (964) 442-90-01
Новосибирск
+7 (964) 442-90-01
Владивосток
8 (800) 551-57-49
Звонок бесплатный по РФ
Перезвоните мне
Оставьте заявку
Ru En
0
Каталог
Технология комбинирования пучков для увеличения мощности квантово-каскадных лазеров

Технология комбинирования пучков для увеличения мощности квантово-каскадных лазеров

03.02.2022
275
Поделитеcь новостью:

Источники на базе квантово-каскадных лазеров (QCL) весьма привлекательны, так как являются источниками в диапазоне MIR, но в настоящее время они обладают ограниченной выходной мощностью. Этот недостаток вызывает растущий интерес к методам, которые позволили бы QCL пассивно комбинировать свои лучи с сохранением компактности, чтобы обеспечить более высокую выходную мощность и помочь интегрировать эти источники в новые приложения.

Спрос на источники MIR

Существует значительный рыночный спрос на высокоэффективные лазерные источники в MIR. Длины волн в этом диапазоне представляют особый научный интерес, поскольку их можно использовать для исследования спектрометрического отклика различных молекул, газов и загрязняющих элементов в атмосфере (см. статью). Кроме того, в области биомедицины также внимательно следят за разработками в области MIR, чтобы использовать аналогичные свойства поглощения различных биоматериалов. Эти длины волн также широко используются в оборонной промышленности, которая активно ищет портативные лазерные источники в диапазоне от 4 до 5 мкм для использования в качестве средств противодействия головкам самонаведения управляемых ракет, нацеленных на самолеты и вертолеты посредством подавления, ослепления или даже их уничтожения. Еще одной областью применения компонентов MIR является лазерная связь, поскольку в этом спектральном диапазоне атмосфера имеет окна прозрачности.

Ключевыми критериями для всех этих приложений являются более высокая мощность, компактность, простота использования и совместимость с суровыми условиями окружающей среды. Возможности для применения QCL, которые могут соответствовать этим критериям, очевидна.

Форм-фактор QCL

Основными лазерными источниками, доступными в диапазоне MIR, являются газовые лазеры, такие как системы CO или CO2. Они обеспечивают высокую мощность, но они более совместимы с приложениями, требующими выхода в диапазоне около 10 мкм. Оптические параметрические генераторы также используются в этом диапазоне, и их преимущество заключается в том, что они могут перестраиваться по длине волны. Но им не хватает прочности и компактности.

Разработанные за последние 20 лет QCL смогли предоставить ещё один вариант когерентного излучения в этом диапазоне длин волн. Эти полупроводниковые лазерные источники непрерывного излучения работают при комнатной температуре в широком диапазоне инфракрасных длин волн (см. примеры от производителя NanoPlus). Эта технология широко используется и позволяет производить компактные готовые источники, которые обеспечивают высокую надёжность, длительный срок службы и хорошую стабильность. Распределение интенсивности у QCL в дальней зоне очень близко к распределению Гаусса. Эти излучатели также дают возможность работать в импульсном режиме в широком диапазоне частот, от герц до гигагерц, и изменять структуру излучения во времени посредством добавления модуляции (например, стробирование, синусоида, пилообразные импульсы или произвольная форма импульсов).

Параметры производительности QCL

Текущий рекорд средней выходной мощности источника QCL составляет 3 Вт на длине волны 4.6 мкм, установленный в 2009 году1. Некоторые коммерческие QCL в настоящее время предлагают выходную мощность от 1 до 2 Вт (рис. 1).

Эволюция средней оптической мощности, продемонстрированная QCL.png

Рисунок 1. Эволюция средней оптической мощности, продемонстрированная QCL, излучающим на длине волны 4 мкм, в зависимости от рабочего цикла (вверху слева). Корпусированный QCL (вверху справа). Профиль пучка QCL, зарегистрированный инфракрасной камерой (внизу).

В мощных QCL используется герметичный корпус, соответствующий военным стандартам по ударопрочности и вибрации. Такие корпусы включают в себя элемент Пельтье (TEC) для термостабилизации прибора и коллимирующую линзу для обеспечения малой расходимости пучка — обычно от 3 до 6 мрад по горизонтали и от 2 до 4 мрад по вертикали.

Однако некоторые из применений требуют большей мощности. Обеспечение превосходной стабильной мощности очень сложно организовать с помощью одного источником. Одно из возможных решений включает объединение лучей нескольких QCL для формирования единого когерентного луча, который обеспечивает повышенную общую выходную мощность. Этого можно достичь как посредством когерентного, так и некогерентного сочетания.

Когерентная комбинация объединяет результаты конструктивных интерференций нескольких QCL. И наоборот, некогерентная комбинация лазерных лучей представляет собой аддитивную суперпозицию без интерференции лучей и, таким образом, не изменяет распределение интенсивности света в луче.

Преимущество некогерентного комбинирования заключается в том, что оно устраняет необходимость в поляризации, контроля длины волны или фазирования входного сигнала, что представляет собой наиболее сложную для достижения часть. Таким образом, можно комбинировать излучения QCL, просто суммируя интенсивность входных лучей. Это значительно упрощает оптическую архитектуру и общее управление системой.

Этот подход направлен на обеспечение высокоэффективной комбинации лучей без ухудшения выходного луча. Таким образом, важными критериями для оценки такой комбинации являются её эффективность, качество выходного луча, обычно определяемое коэффициентом М2, и количество задействованных комбинированных источников.

Хотя когерентные комбинированные методы были продемонстрированы2-4, некогерентные методы более предпочтительны из-за их сравнительной надёжности и компактности. Некогерентные методы также включают объединение поляризации, при котором два луча взаимно ортогональных состояний поляризации могут быть объединены в один пучок с чрезвычайно высокой (>90%) эффективностью, но этот метод ограничен двумя лучами5,6.

Спектральные и пространственные области

Некогерентное комбинирование в спектральной области является привлекательным вариантом, поскольку центральная длина волны QCL не ограничивается свойствами материала и может задаваться при их проектировании. Спектрометры, такие как решётчатые ответвители, могут объединять до 15 лучей с компенсацией дисперсии или без неё в режиме малой мощности с помощью массива QCL с распредёленной обратной связью4,7. Оптические устройства в свободном пространстве, использующие дихроичные светоделители, также были разработаны для объединения нескольких лучей QCL с ограниченным интервалом ~100 нм8,9.

Было продемонстрировано, что массив QCL, соединённый с внешним резонатором (EC-QCL), может давать высококачественный пучок с M2 менее 2 и эффективностью 50%8. Однако тепловые эффекты и спектральные требования к исходным излучателям накладывают строгие ограничения на среднюю мощность и рабочий цикл первичных источников. Совсем недавно комбинация четырёх дискретных QCL, расположенных в такой геометрии, позволила добиться аналогичных характеристик при одновременном снижении некоторых проблем, связанных с тепловой нагрузкой. Таким образом, температурная стабильность и трудности с правильной юстировкой компонента по-прежнему затрудняют использование этого комбинированного метода.

Некогерентное комбинирование в космической области также представляется жизнеспособным вариантом. Такие геометрии, как заполнение мозаичных апертур микролинзами, достигли эффективности, близкой к 90%, с восемью QCL на входе, но M2 на быстрой оси оценивается в 30, что делает их практически непригодными8. Полые волноводы в сочетании с дихроиками в свободном пространстве также использовались для объединения до четырёх источников с общей эффективностью 75%, но об измерениях M2 пока не сообщалось9.

Ещё одним оптимальным решением является использование метода некогерентного объединения, основанного на технологии многоплоскостного преобразования света (MPLC). Изобретенный в 2010 году, MPLC представляет собой метод формирования луча с модальным подходом без потерь (рис. 2).

Технология многоплоскостного преобразования света (MPLC).jpg

Рисунок 2. Технология многоплоскостного преобразования света (MPLC), реализованная в конфигурации с оптоволоконным входом и выходом в свободном пространстве.

Теоретически любое унитарное пространственное преобразование может быть реализовано последовательностью поперечных фазовых профилей, пространственно разделённых в свободном пространстве для оптических преобразований Фурье.

Используя последовательные отражения от однофазной пластины, разделённой опредёленным расстоянием, MPLC позволяет комбинировать несколько некогерентных или когерентных лучей благодаря своему резонатору, образованному зеркалом и отражающей фазовой пластиной, реализуя последовательные фазовые профили и оптические преобразования.

К сожалению, методы некогерентного комбинирования физически не позволяют получить один одномодовый выход из многомодового входа, состоящего из нескольких одномодовых источников QCL. Некогерентное объединение QCL с помощью MPLC состоит в преобразовании заданного количества одномодовых лазеров в такое же количество мод Лагерра-Гаусса более низкого порядка10 (рис. 3).

Пример когерентной комбинации четырёх лазерных лучей.jpg

Рисунок 3. Пример когерентной комбинации четырёх лазерных лучей. Преобразование каждого входа предназначено для определённого режима Лагерра-Гаусса с помощью устройства MPLC.

Унитарность преобразования гарантирует отсутствие внутренних потерь при изменении режима. Потери в MPLC возникают только из-за несовершенства оптических элементов (например, дефектов покрытия или несовершенства изготовления фазовых пластин).

Когда все входы QCL включены, MPLC обеспечивает оптимальное объединение некогерентных источников за счёт ограничения расходимости луча, обеспечивая при этом оптимальное качество выходного луча, измеряемое в M2 (см. таблицу ниже).

Изменение теоретического М2 и кумулятивного М2 в зависимости от количества мод на входе сумматора

Изменение теоретического М2 и кумулятивного М2.jpg

Таким образом, сочетание QCL с технологией MPLC обеспечивает выходную мощность порядка 10 Вт. Компактный пассивный сумматор подключается к блоку, в котором размещены лазерные источники, через одномодовые оптические волокна. Это позволяет дистанционно устанавливать электронику эмиссионного блока, тем самым облегчая его интеграцию. Затем луч может быть переработан на выходном объединителе, чтобы придать ему желаемые размеры.

Сегодня некогерентные объединители MPLC доступны в готовом виде и уже позволили объединить до шести волоконных входов QCL для достижения эффективности комбинации 72% и экспериментально измеренного M2 от 3 до 3,5 на 4 мкм (рис. 4).

Некогерентный объединитель MPLC.jpg

Рисунок 4. Некогерентный объединитель MPLC, излучающий на длине волны 4 мкм — 153×125×55 мм.

Возможна настройка этого типа сумматора, и эти системы смогут закрыть важный пробел, чтобы обеспечить большую мощность для всех приложений, требуемых в диапазоне длин волн MIR.


Оригинальная статья: https://www.photonics.com/Articles/Beam_Combination_Boosts_Power_for_Quantum_Cascade/a67320

Использованная литература:

1. A. Lyakh et al. (2009). 3 W continuous-wave room temperature single-facet emission from quantum cascade lasers based on nonresonant extraction design approach, Appl Phys Lett, Vol. 95, p. 141113.

2. G. Bloom et al. (2010). Coherent combining of two quantum-cascade lasers in a Michelson cavity. Opt Lett, Vol. 35, Issue 11, pp. 1917-1919.

3. A. Lyakh et al. (2014). Continuous wave operation of buried heterostructure 4.6 µm quantum cascade laser Y-junctions and tree arrays. Opt Express, Vol. 22, Issue 1, pp. 1203-1208.

4. G. Bloom et al. (2011). Passive coherent beam combining of quantum-cascade lasers with a Dammann grating. Opt Lett, Vol. 36, Issue 19, pp. 3810-3812.

5. S. Li et al. (2019). Incoherent polarization beam combination for mid-infrared semiconductor lasers. 14th National Conference on Laser Technology and Optoelectronics (LTO 2019), Vol. 11170. International Society for Optics and Photonics.

6. B.G. Lee et al. (2009). Beam combining of quantum cascade laser arrays. Opt Express, Vol. 17, Issue 18, pp. 16216-16224.

7. A.K. Goyal et al. (2011). Dispersion- compensated wavelength beam combining of quantum-cascade-laser arrays. Opt Express, Vol. 19, Issue 27, pp. 26725-26732.

8. S. Hugger et al. (2010). Power scaling of quantum cascade lasers via multiemitter beam combining. Opt Eng, Vol. 49, Issue 11, pp. 111111.

9. I.F. Elder et al. (2016). Mid-IR laser source using hollow waveguide beam combining. Solid State Lasers XXV: Technology and Devices, Vol. 9726. International Society for Optics and Photonics.

10. L. Garcia et al. (2017). Fast adaptive laser shaping based on multiple laser incoherent combining. SPIE Photonics West LASE, 10097-3.

Понравилось?
Обязательно поделитесь статьей в социальных сетях!
Связаться с инженером Бесплатный звонок