相干光束合成：新型高功率光子晶体激光器实现波长与相位锁定

2026-06-29
背景介绍
光子晶体面发射激光器（PCSEL）凭借其二维驻波共振特性，能够在极大的发光面积下实现单模、高功率的激射，近年来备受业界瞩目 。随着单模 PCSEL 输出功率的不断攀升，2023 年Noda课题组甚至已经在一个直径为 3 毫米的 PCSEL 上实现了高达50 W的单模连续波（CW）运行 。为了进一步满足激光加工、星际光通信甚至航天器激光推进等极端高功率应用的需求，对这些高功率单模 PCSEL 进行相干光束合成（Coherent beam combining）极具吸引力 。为了攻克这一难题，研究团队提出并验证了光注入锁定（Optical injection locking）机制 。
文章内容

通过垂直注入的方式，将一束包含特定波长和功率的“种子激光（Seed laser）”注入到高功率的 PCSEL 中 。基于含时的三维耦合波理论数值模拟表明，即使种子激光的发射功率比 PCSEL 的输出功率小两到三个数量级，依然能够成功锁定百瓦级单模 PCSEL 的激射波长与相位 。研究表明，当种子激光的波长略长于 PCSEL 的固有波长时，由于光注入会降低有源层内的载流子密度从而引发共振波长的红移，光注入锁定更容易发生 。
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为了验证上述理论，研究团队搭建了概念验证系统，利用波长可调谐激光器作为种子光源，对一台输出功率达到瓦级的 1 毫米直径 PCSEL 进行了严谨的测试 。
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种子光注入功率控制在约 0.5 mW，而 PCSEL 的输出功率设定为 0.4 W 。在使用法布里-珀罗腔（分辨率达 0.2 pm）进行的高精度光谱测量中，当种子激光与 PCSEL 的波长失谐较小时，成功观察到了单峰激射，且 PCSEL 的发射波长被牢牢锁定在种子激光的波长上 。反之，当失谐量增大时，则出现多峰激射或失锁状态，这与理论模拟高度一致 。此外，为了验证相位是否同步，研究团队使用 50:50 耦合器和平衡光电探测器，测量了种子激光与输出功率为 0.6 W的PCSEL之间的拍频信号（Beat signals）。在未锁定状态下，由于注入电流的波动，拍频频率会随时间发生剧烈变化；而在光注入锁定状态下，探测器输出了极其稳定的恒定功率 。这直接证明了 PCSEL 相位锁定的可行性 。
预期与展望
本研究以翔实的理论和实验数据证明，利用极低功率的种子光源（小三个数量级），即可实现 PCSEL 激射波长和相位的精准锁定 。这一重要验证不仅扫清了理论障碍，更将极大地推动高功率 PCSEL 相干光束合成技术的落地，为未来先进激光制造、高速星际光通信以及空间激光推进技术提供强有力的核心光源支撑 。

原文章链接：https://opg.optica.org/abstract.cfm?uri=CLEO_SI-2025-SS127_5


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