中红外量子级联激光器体积小、功耗低、电光效率高、波长选择范围大，在红外对抗、环境检测、自由空间通信及军事国防等领域具有重要的应用前景^[1-5]。但是由于中红外量子级联激光器单元器件输出功率低，限制了其在以上领域的应用。合束是量子级联激光器通过汇集多路光束，实现激光高功率输出的关键技术。其原理是基于激光的相位、光场分布、偏振及光谱等光学特性，通过折射、反射及衍射等光学效应，在保证光束质量的前提下，将低功率激光单元光束合成一束高功率激光输出，使得量子级联激光器的输出光束能量与功率增大。根据不同的合束原理，目前中红外激光合束技术主要由相干合束和非相干合束。非相干合束方法包括空间合束、偏振合束、波长合束和光谱合束^[6]。由于量子级联激光器是基于子能带之间的跃迁，因此其辐射波长很容易受到温度的影响，对温度控制具有严格的要求，同时由于中红外波段的光学元器件不易加工，使得激光合束技术在中红外激光领域的研究及应用受到限制。

近年来，量子级联中红外激光合束技术使用最多的空间合束和光谱合束，空间合束和光谱合束的优点在于合束单元器件数量不受限，使得合束功率有了明显地提高，但是受限于空间结构和单元器件输出波长不稳定的原因，空间合束和光谱合束之后的光束质量会明显变差。2008年，德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所Wagner等人将两支激射波长为4.5~5 μm的量子级联激光器进行了偏振合束，其合束效率约为82%，这是偏振合束技术的首次应用。偏振合束是指将偏振方向互相垂直的两束线偏振光利用光学手段合为一束，虽然合束单元器件数量受限，只能实现两路合束，但其具有合束效率高、光束质量好等优点^[7-9]。

目前，偏振合束元件主要有布儒斯特偏振片和双折射晶体。使用布儒斯特偏振片合束时，第一路光以布儒斯特角入射到偏振片表面时，平行偏振光的反射率为0，其透过率达到最大。改变第二路光的偏振方向，将其变为垂直偏振光，并以同样的角度入射，在布儒斯特偏振片的另一面形成反射，从而两路光束合为一束^[10-12]。

折射晶体实现偏振复合的原理是：单轴晶体沿光轴方向具有反常折射率$ {n_e} $，沿垂直于光轴方向具有寻常折射率$ {n_o} $。一束部分偏振光以垂直于晶体并与光轴夹角为$ \theta $方向入射，会分成两束偏振方向互相垂直的线偏振光，一束沿原方向在晶体中传输(o光)，一束偏离原来方向(e光)，两束光的偏移角为$\; \rho $。出射后，两束光传输方向平行，并偏移一段距离$ d $。因此，根据光路可逆原理，如果两束偏振方向互相垂直的线偏光互相平行并相距$ d $入射，则会在出射面得到合并成一束的部分偏振光，即实现了偏振合束。

线栅偏振片实现偏振合束的原理是：线栅偏振片对不同偏振方向的光有不同的透过率，第一路光的偏振方向与偏振片方向垂直，当入射到偏振片上时，该路的透射率基本为0，反射率最高。第二路光的偏振方向与偏振片平行，在另一方向以相同的角度入射，透射率最大，两路光束合为一路。

使用以上两种偏振合束组件合束，对入射光的入射角度和入射位置有严格的要求，这种合束方式对于激光模块的结构和体积都有严格的要求，不利于激光模块的小型化。针对以上偏振合束技术的特点以及限制，该实验使用新的偏振合束装置及方法，从而解决由于现有偏振合束组件对入射光入射角度和入射位置有严格要求的限制，实现激光模块小型化。

使用线栅偏振片测试光源的偏振态，其本质上就相当于一个检偏器。当入射光的偏振态与线栅平行时，偏振光的透过率最大，对应功率计的示数最大。因此，通过观察功率计示数的变化可以反推出光源的偏振方向。

根据文中所示的数据，该实验使用4.05 μm QCL的阈值电流为220 mA，如表1和图1所示，随着电流的增加，其功率曲线呈线性增加。为了保护QCL芯片，该实验将最大电流控制在350 mA，其最大功率为0.241 W。

图  1  线栅振片测试偏振态实验光路示意图

Figure 1.  Schematic diagram of the experimental optical path of the polarization state of the wire grid vibrator

(1) 半波片对4.05 μm中波红外透过率测试

该实验使用由索莱博公司生产的中波4 μm半波片，测试该半波片对4.05 μm激光的透过率，为后续偏振合束效率分析提供参考。

根据实验测试数据，半波片对4.05 μm的透过率很高，通过计算其平均值，其透过率高达97%。图2中，两者的功率曲线基本吻合，半波片对激光能量的损耗很小且没有影响功率电流曲线的线性特征。

图  2  有/无半波片QCL电流功率曲线

Figure 2.  QCL current power curve with/without half-wave plate

(2) 线栅偏振片对4.05 μm中波红外透过率与入射角的关系

对线栅偏振片透过率的测试，考虑到偏振合束的实际情况，其入射光束与偏振片应有一定的夹角，因此该实验测试了不同入射角度下的透过率，通过与最初QCL的功率电流曲线对比，计算出不同角度下线栅偏振片的透过率，从而得出最佳的入射角度，见图3。

图  3  不同入射角度下通过线栅偏振片的功率和电流对比曲线

Figure 3.  Comparison curves of power and current passing through the wire grid polarizer at different incident angles

根据以上测试数据，在不同入射角度下，线栅偏振片的透过率差别较大，分别测试了30°和45°入射情况，实验数据表明线栅偏振片对偏振方向平行于栅格方向的光具有较高的透过率，但也存在一定损耗。当入射光与偏振片的夹角为45°时，其透过率平均值约为75%，当入射光与偏振片夹角为30°时，其透过率平均值约为81%。实验结果表明入射光与偏振片夹角为30°时，具有较高透过率是比较理想的入射角度。

在偏振合束实验中，利用偏振片以及光源的偏振特性，当入射光的偏振态垂直于偏振片栅格方向时，其透过率基本为零，此时入射光的反射率很高，利用该特性，通过改变光源的偏振态，将光源的偏振态旋转90°，从而实现偏振片对反射路光束的高反射率。在该实验中，测试不同角度下偏振片对与栅格方向垂直光束的反射率，如图4所示。

图  4  不同入射角度下线栅偏振片反射的功率和电流对比曲线

Figure 4.  Comparison curve of power and current reflected by wire grid polarizer at different incident angles

在该实验中，分别测试了30°和45°入射的情况，根据以上实验数据，在不同入射角度下，线栅偏振片对入射光的反射率差别比较大。当入射角为45°时，其反射率平均值约为81%，当入射角为30°时，其反射率平均值约为91%。从实验数据可知，相同角度入射下，反射率要高于透射率。透过率较低的原因主要是由于光在通过偏振片时，光波的电场和磁场对偏振片内部原子的电荷分布产生影响，进而对自身电磁场的能量产生损耗，而对于反射光而言，偏振片对入射光能量的损耗小，因此反射能量相对更高。结合上面的实验数据，当入射光和反射光与偏振片的夹角为30°时，反射和透射都具有相对较高的效率，因此，对于该实验所使用的偏振片，在偏振合束实验中，使入射光和反射光与偏振片的夹角为30°。

通过使用光束质量分析仪，测试反射和透射光束的光斑形貌。在该实验中，分别测试了透射光束和反射光束在电流为250 mA和300 mA时的光斑形貌，如图5所示。透射光束和反射光束分别在250 mA和300 mA时的光斑形貌如图6所示。从图中可以看出，两路光束的光斑形貌存在一定的差异，反射光束的光斑相对较大，主要是由于反射光束光场的重新分布造成的。总体来说，两路光束的光斑质量较好，线栅偏振片对光束光场的分布影响较小。

图  5  透射光束光斑形貌

Figure 5.  Spot morphology of the transmitted beam

图  6  反射光束光斑形貌

Figure 6.  Spot morphology of the reflected beam

使用4.05 μm中波量子级联激光器，4.05 μm半波片，中波线栅偏振片，功率计，光束质量分析仪，实验光路图如图7所示。

图  7  偏振合束实验光路示意图

Figure 7.  Schematic diagram of the optical path of the polarization beam combining experiment

根据上述实验测试及数据，在该实验中，使用线栅偏振片对4.05 μm QCL进行两路合束，当透射路光束和反射路光束与偏振片的夹角为30°时，透射路的效率为81%，反射路效率为91%，两者合束之后，其光束合束效率约为86%。

基于激光的偏振特性，介绍了目前几种常用的偏振合束装置及方法，分析了偏振合束的实验原理。该研究使用线栅偏振片和半波片组成偏振合束装置，开展两路4.05 μm量子级联激光器偏振合束实验研究，通过对比不同入射角度下线栅偏振片对入入射激光的透过率和反射率，得出了偏振合束的最佳入射角度。当透射路光束和反射路光束与偏振片的夹角为30°时，透射路的效率为81%，反射路效率为91%，两者合束之后，其光束合束效率约为86%。

实验结果表明，使用线栅偏振片合束具有较高的合束效率，同时还能保持良好的光束质量，相比于传统的合束组件，使用线栅偏振片合束更有利于激光模块的小型化。该研究使用的QCL光源功率较低，但为大功率QCL光源的偏振合束提供了理论基础和实验支撑。