在高功率激光加工和相干合束系统中，将单束激光均匀分割为多束、或将多束激光合成为一束，是两项关键技术挑战。菱形棱镜阵列凭借其无衍射损耗、偏振无关、高损伤阈值的特性，在此领域展现出独特的应用价值。

一、分束阵列的工作原理

菱形棱镜分束阵列由多个微小菱形棱镜沿横向排列构成。单束平行光垂直入射后，每个小棱镜各自将光束产生固定平移，整个阵列的出射光形成多个空间上分离的平行子束。若阵列中各棱镜的平移量呈等梯度分布，且各子棱镜出射面共面，则出射面处形成等间距排列的光斑阵列。

该方案的显著优势在于光强分配仅取决于各子棱镜的有效通光面积比，与波长无关。这意味着采用同一棱镜阵列，在四百纳米和一千五百五十纳米下可获得几乎相同的分束比，而衍射光栅型分束器的分束角度与波长成正比，宽带应用时需要重新设计。

二、分束均匀度的实测数据

以一款一分五菱形棱镜阵列为测试对象，基底材料为熔融石英，通光孔径二十五毫米，每个子孔径五毫米乘五毫米。在一千零六十四纳米连续激光入射、总功率五十瓦条件下，测得各子束功率分布。五路子束的功率分别为九点八五瓦、十点零二瓦、十点零八瓦、九点九二瓦和十点一三瓦，对应偏差分别为负百分之一点五、正百分之零点二、正百分之零点八、负百分之零点八和正百分之一点三。总不均匀度按（Pmax-Pmin）/Pavg计算，结果为百分之二点八，优于衍射光栅通常的百分之五至百分之八水平。不均匀度主要来源于各子棱镜锐角加工的一致性公差。在仅考虑锐角加工误差贡献的条件下，若将角度公差从正负一分收严至正负零点五分，不均匀度可估算降至约百分之一点五以下。

三、合束效率与偏振无关性

在相干合束应用中，多束激光通过反向排列的菱形棱镜阵列合成为单束输出。合束效率定义为输出总功率与输入总功率之比。主要损耗来源包括端面反射损耗、内部全内反射损耗和对准偏差损耗。端面反射损耗可通过增透膜降低至每面百分之零点五以下。内部全内反射损耗理想情况下为零，但表面粗糙度会引起散射损耗。对准偏差损耗指各子束入射角偏差导致出射光不完全平行。

在角度误差呈随机正态分布的统计模型下，合束效率随角度公差收严而提升。实测数据显示，对于四束合束系统，每束二十瓦，总输入八十瓦，采用精密级菱形棱镜阵列时，合束效率为百分之九十六点三。若换用标准级棱镜，在随机误差分布假设下，效率降至百分之九十一点七。可见，合束效率对角度公差的敏感度高于分束应用，这是因为合束要求各子束出射方向平行度优于衍射极限的十分之一，否则焦斑重叠度下降。

关键优势在于偏振无关性。菱形棱镜的全内反射对S和P偏振态的反射率均为百分之一百，因此合束效率不随入射光偏振态变化。而基于偏振分光棱镜的合束方案仅适用于特定偏振态，且效率对温度漂移敏感。

四、高功率耐受性

由于采用全内反射，棱镜内部无吸收性膜层，其损伤阈值主要由基底材料决定。在未镀膜、表面粗糙度优于五纳米的条件下，熔融石英菱形棱镜在一千零六十四纳米、十纳秒脉冲、单次冲击模式下的损伤阈值大于每平方厘米十五焦耳，在连续波条件下可承受每平方厘米五百瓦以上的功率密度而不产生热透镜效应。这使得菱形棱镜阵列在千瓦级以上光纤激光合束系统中成为可工程化的方案。

对比数据显示，同功率等级下，透射式光栅分束器的损伤阈值通常低于每平方厘米五焦耳，且光栅沟槽在粉尘环境下易污染导致效率衰减。菱形棱镜阵列的外露表面仅为平面端面，清洁维护成本远低于光栅。

五、在激光雷达光束分配系统中的工程验证

在车载激光雷达的发射端，需要将单一激光源的能量均匀分配至多个扫描方向。某工程方案采用一分四菱形棱镜阵列作为分束元件，该阵列采用的是标准级加工精度，其初始不均匀度百分之三点二符合该等级预期。工作波长九百零五纳米，单路峰值功率七十五瓦，脉冲宽度五纳秒。经过两千小时的高低温循环测试（负四十摄氏度至正八十五摄氏度，一百次循环）和振动测试（频率二十至两千赫兹，加速度五克），该棱镜阵列的分束不均匀度从初始的百分之三点二略微上升至百分之三点八，变化幅度仅零点六个百分点，仍低于系统要求的百分之五上限。而同期对比测试的衍射光学元件分束器，在同等环境条件下不均匀度从百分之四点五上升至百分之七点二，超出设计容限。该衍射元件的初始值处于该类元件典型性能区间的下限水平，但环境老化导致其劣化速度显著快于棱镜阵列。该验证表明，菱形棱镜阵列在车规级环境可靠性方面具有明显优势。

微信分享

x

用微信扫描二维码
分享至好友和朋友圈

网站内容来源于互联网、原创，由网络编辑负责审查，目的在于传递信息，提供专业服务，不代表本网站及新媒体平台赞同其观点和对其真实性负责。如因内容、版权问题存在异议的，请在 20个工作日内与我们取得联系，联系方式：021-80198330。网站及新媒体平台将加强监控与审核，一旦发现违反规定的内容，按国家法规处理，处理时间不超过24小时。