一种高功率中波量子级联激光器光纤合束激光源

本发明涉及激光的，尤其涉及一种高功率中波量子级联激光器光纤合束激光源。

背景技术：

1、高功率中波激光在分子光谱学、生物医学诊断、自由空间光通信以及国防工业领域的应用引发了人们的高度关注，在气体痕量检测、红外对抗、激光手术及高容量通信等方面具有巨大的经济价值及社会效益。量子级联激光器凭借其波长可通过量子阱能带灵活设计、器件结构紧凑以及电光转换效率高等优势，已经成为中波红外波段最重要的激光光源之一。但是，受限于有源区量子阱设计、材料外延生长质量以及器件腔面镀膜损伤阈值较低等因素，单个量子级联激光器长时间稳定运行的输出功率仍相对有限，难以满足高精度分子检测、远距离高容量通信及红外对抗等应用场景对高功率中波激光的迫切需求。

2、为了突破单个量子级联激光器的功率限制，目前光束合束技术主要分为相干合束与非相干合束两大类。相干合束虽具有较高的光束质量，但其系统结构复杂，对光路稳定性和器件匹配一致性要求极为严格，难以长期保持稳定运行。因此非相干合束凭借结构相对简单、工程实现难度较低而受到更为广泛的关注。典型的非相干合束方式包括偏振合束、光谱合束以及空间合束等。但是偏振合束与光谱合束在合束路数方面存在明显限制，功率提升空间有限；空间合束则高度依赖复杂的空间光路结构，对各路激光的光束指向一致性及光轴稳定度提出了极高的要求，随着合束路数的增加，系统复杂度与装调难度显著提升，严重制约了其向更高功率扩展的能力。

3、近年来，随着中波红外光纤器件制备工艺的不断成熟以及低损耗硫系光纤材料的持续发展，基于光纤的合束技术逐渐成为高功率中波红外激光输出的重要研究方向。该技术不仅能够实现多路激光的高效功率叠加，同时天然具备输出光轴稳定性高的优势，兼顾了高功率输出与良好的系统稳定性，被视为中波红外激光功率合成领域具有潜力的技术路线之一。然而，硫系光纤具有较高的折射率，其端面存在强烈的菲涅尔反射损耗，这不仅降低了系统的耦合效率，反射的激光还可能对量子级联激光器造成损伤，严重影响了系统的整体稳定性与可靠性。受此限制，当前中波红外激光光纤合束输出功率水平长期受限，严重制约了该技术的进一步发展和工程化推广应用。因此，如何有效地抑制硫系光纤端面菲涅尔反射损耗、提升系统的耦合效率与运行稳定性，实现高功率中波红外激光的稳定输出，已成为本领域技术人员亟待解决的重要技术难题。

技术实现思路

1、为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种高功率中波量子级联激光器光纤合束激光源，其在入射激光光束质量较差时仍能保证较高的耦合效率，有效解决了传统空间合束技术中光路复杂、光轴稳定性差的问题，实现了多路中波红外激光的高效、稳定的功率合成。

2、本发明的技术方案是：这种高功率中波量子级联激光器光纤合束激光源，其包括n个量子级联激光器、n个聚焦透镜、一个n×1光纤合束器（3）、一个准直输出镜（4）、一套热沉（5），n≥3；

3、n个量子级联激光器的输出端分别对准n个聚焦透镜的入射面，n个聚焦透镜的输出面分别对准n×1光纤合束器的输入光纤端面，n×1光纤合束器的输出端面（9）对准准直输出镜，完成n个量子级联激光器的合束；n个量子级联激光器、n个聚焦透镜以及n×1光纤合束器的n个光纤输入端面均集成于热沉上；

4、n个量子级联激光器波长均位于中波红外波段，其出射激光分别经对应的聚焦透镜聚焦后，耦合进入n×1光纤合束器的n个光纤，在n×1光纤合束器中进行功率合成；

5、光纤合束器基于硫系光纤制备，其输入端由n个硫系光纤（8）组成，第一红外透光窗口片（6）通过第一液态玻璃（7）粘接到硫系光纤，输出端面通过第二液态玻璃（10）粘接到硫系端帽（11），硫系端帽通过第三液态玻璃（12）粘接到与第二红外透光窗口片（13），并通过第一、第二、第三液体玻璃进行折射率匹配。

6、本发明通过基于硫系光纤的n×1光纤合束器对多路中波红外量子级联激光器进行功率合成，利用硫系端帽以降低输出端面的功率密度，并采用液态玻璃对光纤端面进行折射率匹配封装，有效抑制了硫系光纤端面的菲涅尔反射，解决了传统空间合束结构复杂，光轴稳定性差以及合束路数受限的问题，同时克服了光纤合束中耦合效率低的技术瓶颈，相较于已有合束方案，本发明结构紧凑，光轴稳定性高、合束效率高、系统集成高，可以获得高功率、高稳定性的中波红外激光输出。

1.一种高功率中波量子级联激光器光纤合束激光源，其特征在于：其包括n个量子级联激光器、n个聚焦透镜、一个n×1光纤合束器（3）、一个准直输出镜（4）、一套热沉（5），n≥3；

2.根据权利要求1所述的高功率中波量子级联激光器光纤合束激光源，其特征在于：所述聚焦透镜为中波红外波段高透过率的光学透镜，将量子级联激光器出射的激光聚焦至n×1光纤合束器输入光纤的纤芯中。

3.根据权利要求2所述的高功率中波量子级联激光器光纤合束激光源，其特征在于：所述聚焦透镜为硅透镜，其对中波红外激光的透过率大于98.5%。

4.根据权利要求3所述的高功率中波量子级联激光器光纤合束激光源，其特征在于：所述硫系光纤为硫化砷光纤，在中波红外波段的数值孔径大于0.35。

5.根据权利要求4所述的高功率中波量子级联激光器光纤合束激光源，其特征在于：所述硫系端帽与n根硫系光纤的基质玻璃材料相同或相匹配。

6.根据权利要求5所述的高功率中波量子级联激光器光纤合束激光源，其特征在于：所述热沉配备循环水冷系统来控制温度。

7.根据权利要求6所述的高功率中波量子级联激光器光纤合束激光源，其特征在于：n=7，量子级联激光器的中心波长位于4.6μm附近，工作温度控制在20℃，量子级联激光器的输出功率分别为2.01w、1.99w、2.13w、2.05w、2.17w、2.05w、1.97w。

8.根据权利要求7所述的高功率中波量子级联激光器光纤合束激光源，其特征在于：所述硅透镜的焦距为50mm。

9.根据权利要求8所述的高功率中波量子级联激光器光纤合束激光源，其特征在于：所述红外透光窗口片采用氟化钙晶体片。