利用量子级联激光器(QCL)产生中红外波段(3~5 μm)激光并实现光纤输出是目前的研究热点。受中红外量子级联激光器光源功率和光纤材料水平的限制,国内尚未见利用光纤输出QCL实现1 W级功率输出的报道。

最近,本实验室通过4路QCL(QCLa~QCLd)的空间合束和光纤耦合实现了1 W级中红外激光输出,结构如图1所示。4路QCL中,每一路激光经非球面透镜的准直整形后,输出激光模式近单模,质量因子M²优于1.3。4路QCL合束后,光束质量有所劣化,M²约为2.9。合束前4路QCL的输出激光功率分别为0.78,0.96,0.93,0.87 W。每一路准直激光经微型反射镜实现空间合束,经合束透镜聚焦进入同一中红外氟化物光纤(芯径105 μm,数值孔径NA=0.2)。光纤输出激光经非球面透镜的准直后用于参数测试。如图2(a)所示,输出激光功率达1.036 W。实验中未发现光纤损伤,光纤输出激光功率尚有提升空间。激光光谱为中红外波段,如图2(b)所示,4路激光光谱的中心波长略有差别,谱线宽度也有差别,光谱峰值强度的高低不代表整体激光功率的大小。光纤输出激光经准直后,光斑近似为直径为7 mm的圆形。输出激光近场图像如图2(c)所示,激光近场整体上呈中间强、两边弱的分布趋势。采用长焦透镜进行聚焦后测量远场图像,光纤输出经准直后的远场发散角为4.5 mrad [图2(d)]。

图 1. 1 W中红外光纤输出量子级联激光器结构示意图

Fig. 1. Structural diagram of 1 W-power mid-infrared fiber coupled quantum cascade lasers

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图 2. 1 W中红外光纤输出量子级联激光器输出结果。(a)输出功率随注入电流的变化;(b)输出激光光谱;(c) 1 m处光纤输出激光近场光斑;(d)输出激光远场光斑

Fig. 2. Output of 1 W-power mid-infrared fiber coupled quantum cascade lasers. (a) Relationship between output power and current; (b) output laser spectrum; (c) output near field at 1 m distance from fiber; (d) output far field

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该研究成果的取得标志着该研究团队具备了1 W量级光纤输出QCL系统的自主创新设计与集成验证能力,为具有全自主知识产权的光纤输出QCL系统的研制打下了良好基础,对我国中红外QCL技术的发展具有重要意义。