以色列的研究人員最近研發出一種微型光學裝置，這項技術有望簡化高功率激光系統。該裝置能有效地將數十個半導體激光器的光線合併為一根光纖，並保持極低的能量損失。這種設備利用一種名為光子燈籠的 3D 打印結構，能將多個小型激光器的光線引導至一根多模光纖中，而不會降低亮度。研究人員表示，這種方法可能對依賴高功率光纖傳輸激光的行業非常有幫助，包括製造、通訊和國防等領域。
這項研究由耶路撒冷希伯來大學應用物理研究所的 Dan M. Marom 教授指導的博士生 Yoav Dana 主導。研究團隊與 Civan Lasers 合作，並獲得以色列創新署的支持。這項研究展示了高功率激光系統中光學束合併硬體的新一輪微型化和可擴展性。
傳統的光子燈籠通常將幾個單模輸入合併為一個多模波導。然而，大多數高功率半導體激光器在多個空間模式下運行，這種不匹配長期以來限制了工程師合併其輸出的效率。希伯來大學的團隊通過重新設計燈籠架構來解決這一挑戰。他們的裝置使用了一種名為 N-MM 光子燈籠的新結構，能讓多個多模垂直腔面發射激光器（VCSEL）源直接輸入一根多模光纖。
團隊展示了能夠合併 7、19 和 37 個 VCSEL 激光器的光子燈籠，每個激光器在六個空間模式下運行。整個系統支持多達 222 個空間模式進入一根多模光纖。這種架構在簡化對準需求的同時，保持了亮度的穩定性。傳統的中繼透鏡設置往往會降低光束質量或需要精確定位，而新燈籠則能更好地匹配激光器及光纖的模態容量，保持光學亮度不變，這是高功率激光性能的一個關鍵因素。
這項新光學裝置的尺寸也得到了顯著縮小。研究人員採用先進的 3D 微打印技術製造該結構，整個光子燈籠的長度不到半毫米。即使是最大配置的 37 輸入裝置也僅有 470 微米。儘管尺寸小巧，燈籠仍能提供強勁的效率。測試顯示，19 輸入設計的耦合損失低至 -0.6 分貝，37 輸入版本的損失約為 -0.8 分貝，這表明其在標準 50 微米多模光纖中的光轉換效率非常高。
在合併多個激光器時，保持低損失至關重要，因為小的效率損失會迅速降低系統的輸出功率。研究人員在燈籠內部設計了一個絕熱光學過渡結構，這種結構能逐漸將多個少模輸入轉換為一個多模光纖通道。這種過渡方式在最小化散射或功率損失的同時，保持了系統的光學自由度。
研究結果展示了一種可擴展的非相干束合併方法。燈籠不需要強迫激光器同步相位，而是能有效地合併其輸出。這種能力可能幫助工程師構建更緊湊的高功率激光系統，並可能使光纖基礎的光通信網絡和傳感技術受益。如果這種方法進一步擴展，製造商可以將數百個半導體激光器合併為一個光纖通道，這將顯著提高通過光纖激光系統傳遞的功率，同時保持硬體的緊湊性。該研究已發表在《自然通訊》期刊上。
