基于光栅-偏振棱镜级联结构的高效多波段中长红外激光束合成技术

《Optics & Laser Technology》：High efficiency, multi-band mid and long infrared laser beam combining based on grating-polarization prism cascaded structure

级联谱偏振光束合成技术通过闪耀光栅与氯化汞锌晶体实现多波段红外激光高效耦合，输出功率与光束质量分别达到87.3%和M2=1.57。采用宽通带Hg2Cl2晶体解决传统棱镜偏振合成的波段限制问题，结合几何优化光栅设计补偿色散效应，成功实现中远红外三波段激光合成。

　　

Lulu Yang|Xin Wang|Xuhui Li|Liquan Dong

北京工业大学光学与光子学院，北京 100081，中国

摘要

中长波红外激光在医疗诊断、环境监测和生物传感领域有着广泛的应用。这些应用要求激光器具备宽光谱覆盖范围、高亮度和紧凑的尺寸。本文提出了一种光谱-偏振级联光束组合结构。选用了闪耀光栅和偏振棱镜分别作为光谱和偏振组合器，并对它们进行了优化和制造，以实现超宽光谱范围内的高效率光束组合。该结构能够实现三个中心波长分别为4.5 μm、7.5 μm和9.2 μm的量子级联激光器（QCL）的同轴光束组合，覆盖中长波红外波段。7.5 μm和9.2 μm QCL的输出光束首先通过几何优化的闪耀光栅进行光谱组合，该光栅在6.5至12.5 μm的宽光谱范围内具有超过90%的衍射效率。光谱组合后，双波段长红外激光通过Hg₂Cl₂棱镜与4.5 μm QCL的光束进行偏振组合。由于Hg₂Cl₂晶体具有超宽的传输光谱（0.5 ～ 15 μm）和高双折射率，因此该棱镜具备了中长波红外波段的光束组合能力，这是现有棱镜所不具备的。通过合理设计棱镜切割角度，双波段长红外激光的总内反射反射率达到92.2%。同时，中红外QCL的光束以布儒斯特角透过棱镜。整个三级联光束组合配置的总效率达到87.3%。通过精心调整三个入射激光的光束腰位置和发散角，部分补偿了光谱色散对光束质量的影响，获得了良好的组合光束质量，其M²值（慢轴方向）为2.07，（快轴方向）为1.57。由于光栅（在1064 nm连续波下承受250 W/cm²的功率，在200 ns脉冲下承受3.5 J/cm²的功率）和棱镜（在1064 nm下承受3.5 J/cm²的功率，在3.5 μm下承受8.06 J/cm²的功率）具有较高的损伤阈值，所提出的光谱-偏振级联光束组合结构有望实现多波段、高功率的中长波红外激光输出。

引言

中长波红外（MWIR&LWIR）激光（3 ～ 12 μm）在环境监测、工业过程控制和生物医学诊断方面展现出显著的应用潜力[1]、[2]、[3]、[4]。量子级联激光（QCL）是中长波红外波段最重要的激光器之一[5]、[6]、[7]，具有可调节的波长和紧凑的尺寸。随着技术的发展，QCL已成为多组分气体检测和高分辨率光谱分析的核心光源。然而，单个QCL的输出功率仅处于瓦级，且光谱覆盖范围有限，这可能限制了其在复杂场景下的多目标和宽光谱传感应用[8]。多波段激光光束组合是一种有效的技术，可以同时提高光谱覆盖范围和输出功率[9]。常用的激光光束组合技术包括空间光束组合[10]、[11]、[12]、光谱光束组合（SBC）[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]以及偏振光束组合（PBC）[19]。

空间光束组合能够重新排列不同入射激光的强度分布，以实现高功率输出[10]。典型的配置包括专门设计的反射镜/棱镜和耦合光纤。这种方法对入射光束的数量要求较低，且不受入射激光波长的影响。然而，重新排列后的激光光斑相对较大，会降低组合光束的质量，不利于提高激光亮度。此外，在中长波红外波段，硫属化合物[20]、[21]、[22]和氟化物光纤[23]的低损伤阈值、高传输损耗和有限的传输带宽限制了组合光束的输出功率和光谱覆盖范围。相比之下，光谱或波长光束组合允许不同波长的多个入射光束同轴叠加，具有较高的组合效率和最小的光束质量损失。研究表明，这种技术适用于可见光到中长波红外光谱范围[13]、[24]、[25]。PBC通常与空间光束组合和SBC技术结合使用，通过同轴组合具有正交偏振状态的两束光来进一步提高激光功率和亮度[19]。

光栅和二向色镜是广泛研究的SBC元件。2021年，Gu等人基于光栅实现了四个波长约为4.8 μm的QCL的外腔SBC[15]，光束组合效率为58.9%，光束质量因子M²为1.3。2025年，Cui等人提出了一种针对3 ～ 4 μm光谱范围优化的火山形镀金全息光栅[26]。基于高性能光栅的双光栅SBC实现了3.16 μm和3.89 μm光学参量振荡器的92.5%组合效率，组合光束的M²为1.79。2016年，Elder等人使用三个二向色镜组合了三个波长分别为3.95 μm、4.05 μm和4.6 μm的QCL的光束，并与波导中的Ho:YAG激光器输出[11]，组合激光的光谱覆盖范围为2至5 μm。只有当入射光束模式与波导定义的模式非常匹配时，才能获得94%的高光束组合效率。组合光束的质量也受到波导的影响。2025年，Wang等人使用三个二向色镜组合了四个波长分别为7.5 μm、8.3 μm、9.0 μm和10.2 μm的QCL，实现了7.3至10.4 μm的光谱覆盖范围[27]，光束组合效率和光束质量分别为83.0%和1.78。

理论上，二向色镜只能组合两个入射光束。随着入射光束数量的增加，需要更多的二向色镜，这会增加系统复杂性并降低组合效率。光栅依靠光谱色散来组合不同波长的多束光，能够在紧凑的结构中实现密集的光谱组合。然而，由于光栅的色散，当入射激光的光谱线宽较宽时，衍射光束的质量会下降。尽管包含光栅的外腔可以过滤光谱，但光束组合效率较低。此外，由于操作带宽的限制，光栅通常只能在中间波段或长波段内实现光谱组合。为了解决这些问题，研究了金属层厚度和闪耀角度对偏振依赖性光谱衍射的影响，设计并制造了一种具有高衍射效率和超宽操作带宽的闪耀光栅。此外，通过精心设计入射光的发散角和光束腰位置，显著减少了色散对组合光束质量的影响。实验中使用了中心波长分别为7.5 μm和9.2 μm、光谱线宽约为100 nm的两个QCL，实现了高效且光束质量良好的SBC，光束组合效率为90.8%，组合光束在x方向和y方向的光束质量因子分别为1.25和1.10。

常用的偏振光束组合器包括偏振器和偏振棱镜。Wagner等人使用布儒斯特片组合了两个波长约为4.5 ～ 5 μm的QCL[19]，光束组合效率为82%，组合光束的质量因子M²为2.0。为了组合中长波红外波段的光束，需要在偏振器的透射和反射表面沉积双波段、偏振依赖性的涂层，这引入了复杂的薄膜设计和沉积工艺。传统的高双折射率晶体（如YVO₄ [28]、MgF₂ [28]和LiNbO₃ [29]）无法同时覆盖中长波红外波段。而CdSe [30]、AgGaSe₂ [31]和AgGaS₂ [32]等双折射率晶体虽然具有宽的透明带，但其双折射率系数较低。在我们之前的研究中，使用了Hg₂Cl₂晶体制造偏振棱镜[33]，其超宽的透明带宽使得中长波红外的PBC成为可能。

在本研究中，高效光栅和宽带偏振棱镜被级联使用，充分利用了它们在中长波红外波段的多通道组合特性。通过优化棱镜角度，入射的双波段长红外激光光束通过光栅实现接近unity效率的总内反射，而4.5 μm的中波红外激光光束则以布儒斯特角透过棱镜。通过在入口和出口表面涂覆抗反射涂层，实现了87.3%的中长波红外光谱-偏振混合组合效率。得益于光栅的光谱色散补偿和棱镜的低波前畸变，组合光束的质量M²值（x轴方向）为2.07，（y轴方向）为1.57，没有显著下降。

章节摘录

级联光束组合配置

所提出的级联光束组合结构遵循特定的顺序：首先进行光谱光束组合（SBC），然后进行偏振光束组合（PBC）。这一顺序充分考虑了闪耀光栅和Hg₂Cl₂偏振棱镜的高效率工作光谱范围。设计和制造同时覆盖中长波红外波段的高效闪耀光栅极具挑战性。相比之下，得益于

高效光谱-偏振级联光束组合

图11(a)展示了采用级联光栅-Hg₂Cl₂偏振棱镜的中长波红外三波段光束组合装置。MLW-QCL和LW-QCL的光束首先通过闪耀光栅进行光谱组合，晶体对两个组合的长波QCL的反射率为92.2%。随后，S偏振的双波段长红外光束通过Hg₂Cl₂偏振棱镜与P偏振的MW-QCL光束进行组合。

结论

作为对比，近年来发表的不同光束组合结果的性质如表1所示。参考文献[15]展示了基于光栅的外腔SBC装置，用于组合四个波长约为4.8 μm的QCL的输出，光束组合效率为58.9%，光束传播因子M²为1.3。参考文献[26]提出了一种针对3 ～ 4 μm光谱范围优化的火山形镀金全息光栅，组合光束的效率

CRediT作者贡献声明

Lulu Yang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，数据分析，正式分析，数据管理。Xin Wang：撰写 – 审稿与编辑，方法论研究，资金获取。Xuhui Li：验证，数据管理。Liquan Dong：方法论研究，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号61875011）的支持。