摘要：

本文介紹一種利用空間合束技術(shù)和光纖耦合技術(shù)將9只波長(zhǎng)為915nm 單管芯半導(dǎo)體激光器高效率耦合進(jìn)光纖中，制備出具有高功率、高亮度輸出光纖耦合模塊。在使用光學(xué)軟件進(jìn)行模擬仿真后并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明光纖耦合模塊可以通過(guò)芯徑105μm、數(shù)值孔徑（NA）為0.22 的光纖輸出大于110w 的功率，并且 亮度達(dá)到 8.MW/(cm ·sr).

關(guān)鍵詞: 激光耦合; 激光準(zhǔn)直; 激光合束; 半導(dǎo)體激光器 1 引言

工業(yè)應(yīng)用和光纖激光泵浦已經(jīng)證明了對(duì)光纖耦合半導(dǎo)體激光器的需求增加，特別是新的固態(tài)器件-光纖激光系統(tǒng)，需要越來(lái)越高的功率、更高的亮度和單波長(zhǎng)泵浦源。光纖耦合激光半導(dǎo)體模塊具有幾乎對(duì)稱的能量分布和高度的指向穩(wěn)定性，是新型固態(tài)激光器件的最佳泵浦源之一。 由于近年來(lái)半導(dǎo)體單芯片發(fā)射極的輸出功率從1W大大提高到15W，光纖耦合半導(dǎo)體模塊的輸出功率從30W提高到800nm到 980nm波長(zhǎng)區(qū)域的200W左右。例如，2014年，NLIGHT（美國(guó)）提出了一個(gè)新的元件封裝，可以容納多達(dá)18個(gè)發(fā)射體與偏振光束組合。此封裝包提供直徑為105μm的130W光纖和直徑為200μm的225W光纖，可以提高輸出功率和亮度。 在2016年，DILAS（德 國(guó)）報(bào)道了一個(gè)915nm單波長(zhǎng)、傳導(dǎo)冷卻、光纖

［

耦合的多棒模塊，模塊的輸出功率為120W，核心直徑為120μm到400μm1-3］．

2

在目前的工作中，我們選擇半導(dǎo)體單管件來(lái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)商業(yè)上可用的高功率和高亮度僅基于9個(gè)單光束的光纖耦合模塊。使用空間光束結(jié)合以及光纖耦合技術(shù)，將105μm NA為0.22光纖耦合器半導(dǎo)體激光模塊，封裝在915nm封裝中，并通過(guò)軟件仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該模塊在沒(méi)有偏振光束組合技術(shù)的情況下，只能使用空間組合技術(shù)輸出110W，因此模塊的體積和工作電壓較小。

2 光學(xué)設(shè)計(jì)和光束準(zhǔn)直 2.1光學(xué)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)高功率和更高的亮度，空間光束組合是一種有效的方法，通常用于多發(fā)射模塊，在不降低光束質(zhì)量的情況下，從一根光纖中實(shí)現(xiàn)高功率光纖輸出。 通過(guò)軟件進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)和射線模擬，將包含9個(gè)器件的多個(gè)單發(fā)射模的光學(xué)耦合系數(shù)優(yōu)化為99.6%。光纖的芯徑為105μm ，NA典型值0. 22，所有9個(gè)半導(dǎo)體激光單發(fā)射體均為階梯排列，所有發(fā)射體的高度梯度為0.4mm。通過(guò)快速準(zhǔn)直器(FAC)和慢快速準(zhǔn)直器(SAC)對(duì)每個(gè)管準(zhǔn)直后，所有9束光束首先通過(guò)與每個(gè)管具有相同高度的反射鏡反射。然后將九根光束空間組合成一個(gè)光束。最后，該光束

［

通過(guò)光學(xué)聚焦透鏡耦合成光纖6］。100W光纖耦合模塊的光學(xué)設(shè)計(jì)和整體結(jié)構(gòu)如

圖1所示。

圖1 100W光纖耦合模塊的光學(xué)設(shè)計(jì)和整體結(jié)構(gòu) 2.2光束重塑

在大多數(shù)應(yīng)用中，半導(dǎo)體激光束是由光纖傳輸?shù)?，這是因?yàn)樗哂泻艽蟮撵`活性和良好的徑向?qū)ΨQ性。沒(méi)有光束準(zhǔn)直系統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器在許多情況下不能直接使用，因?yàn)樗鼈兊陌l(fā)射特征高度發(fā)（快軸中的角度一般為30°~ 50°，慢軸達(dá)到8~20°)和高度不對(duì)稱光斑（一般為橢圓）。由于半導(dǎo)體激光器的光束特性，如果不準(zhǔn)直光束，散光問(wèn)題將無(wú)法避免。 因此，光束準(zhǔn)直系統(tǒng)在光纖耦合模塊中起著重要的作用，高功率半導(dǎo)體激光器的光束準(zhǔn)直系統(tǒng)是目前許多應(yīng)用的可行設(shè)計(jì)方案光束束參積(BPP，К)一般用于評(píng)價(jià)激光的光束質(zhì)量，常用 θ×ω表示，

［

其中θ是光束的法菲爾德半發(fā)散角，ω為束腰半徑，NA是光纖的數(shù)值孔徑5］ 。

為了多個(gè)半導(dǎo)體電容激光器耦合如芯徑為105μmNA為0.22的光纖中。在聚焦前，激光半導(dǎo)體光束的光束質(zhì)量符合方程（1)和(2）給出的要求；

， （1）

， （2）

由于光纖端面是圓形，為保證光纖耦合的高效率輸出，準(zhǔn)直后均方根束參積值應(yīng)小于光纖束參積。

圖2 半導(dǎo)體光束束參積示意圖

半導(dǎo)體激光單管的設(shè)計(jì)為，快、慢角的發(fā)散角為44.5°（95%）和12.19°（95%），波長(zhǎng)為915nm。通過(guò)光束質(zhì)量分析儀測(cè)量芯片的光斑和發(fā)散角，如圖3所示。

圖3 半導(dǎo)體激光單管的光斑

在設(shè)計(jì)中，選用了9個(gè)中心波長(zhǎng)為915nm的半導(dǎo)體激光半導(dǎo)體正弦波管來(lái)構(gòu)成模塊。表1顯示了單管的主要屬性;通過(guò)方程(1)和(2)計(jì)算，單個(gè)管在快軸上的BPP等于0.291mm·mrad，慢軸等于6.378mm·mrad。

表1單管參數(shù)

參數(shù) 值

快軸發(fā)散角 22.25° /388.3 mrad( 95% )

快軸方向條寬 0.74 μm

快軸BBP 0.291 mm·mrad

慢軸發(fā)散角 6.1° /106.3 mrad( 95% )

慢軸方向條寬 60 μm

慢軸BBP 6.378 mm·mrad

最大激勵(lì)電流 14A

最大輸出功率 13.5W

由于單管的快軸方向光束質(zhì)量發(fā)散角很大，幾乎達(dá)到衍射極限。為了減小像差對(duì)快軸光束質(zhì)量的影響，焦距為200 μm的球面柱透鏡是FAC透鏡的最佳選擇。半導(dǎo)體半導(dǎo)體激光器的慢軸發(fā)散角遠(yuǎn)小于快軸發(fā)散角，因此柱面透鏡如SAC透鏡的焦距為14.5mm，準(zhǔn)直度計(jì)算過(guò)程如下公式

[7-8]

:

，（3）

， （4）

， （5）

式3~5中，f是準(zhǔn)直柱面透鏡的焦距,ω的一半大小的現(xiàn)貨在準(zhǔn)直透鏡后,θ是快和慢軸的發(fā)散角,t是準(zhǔn)直透鏡和半導(dǎo)體激光器之間的距離.d是透鏡的厚度,n是透鏡的折射率。然后,根據(jù)公式(3),(4)和(5),可以計(jì)算得到

0.28°/4.137mrad,

53μm,

1.55mm,

mm,

0.24°/4.137mrad,

13.2μm。圖4和圖5為FAC /SAC對(duì)快/慢軸的處理過(guò)程，圖的右上方為光斑剖面，左上方為束準(zhǔn)直后快/慢軸的。通過(guò)軟件對(duì)該過(guò)程進(jìn)行仿真，得到了比實(shí)際效果更好的結(jié)果。

圖4 對(duì)快速軸進(jìn)行了FAC處理，得到了光束準(zhǔn)直后快速軸的光斑分布和剩余

發(fā)散角。

圖5 慢軸經(jīng)過(guò)SAC的處理后、光斑輪廓和光束準(zhǔn)直后慢軸的剩余發(fā)散角 通過(guò)式(3)和式(5)準(zhǔn)直計(jì)算，單發(fā)射體在快軸上的BPP等于0.297mm·mrad,慢軸等于6.412mm·mrad。為了從模組光纖中獲得最大的功率和亮度，我們選擇了空間組合技術(shù)。通過(guò)將光纖的BPP與單管的BPP進(jìn)行劃分，找到了可以組合成標(biāo)準(zhǔn)光纖的最大管數(shù)。這不僅在快/慢軸上進(jìn)行，而且在填充因子上也進(jìn)行，如式(6)(7)所示

[3,9]

:

, (6)

, (7)

在方程(6)和(7),NFA和NSN分別為快軸和慢軸上的管個(gè)數(shù),Df和θf(wàn)為光纖的直徑和全角，ω和θ是平行波束寬度和激光束的發(fā)散角,γ是填充因子。因子2解釋了將一束方形光束耦合成一束圓形光纖的幾何特性，所以光纖上的光斑尺寸

必須小于 倍纖芯，，發(fā)射角度也必須 倍小于光纖NA。考慮到快軸和慢軸

上的軸向誤差接近于1，因?yàn)閮蓚€(gè)方向上的光束都可以作為一個(gè)正方形點(diǎn)。

根據(jù)式(6)和(7)，我們估計(jì)管的最大數(shù)目為9。 因此，我們選擇了9個(gè)半導(dǎo)體激光器單管來(lái)處理空間光束技術(shù)。在半導(dǎo)體激光管的光束經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡的變形后，我們使用9面反射鏡旋轉(zhuǎn)90°。因此，我們選擇了9個(gè)半導(dǎo)體激光器單管來(lái)處理空間光束技術(shù)，使9束變成正方形，這對(duì)耦合工藝的過(guò)程有很好的影響。

通過(guò)仿真對(duì)空間光束與點(diǎn)的空間組合過(guò)程如圖6、圖7所示?？燧S和慢軸上的光斑尺寸為3.6mm和2.6mm。

經(jīng)準(zhǔn)直后，光斑在快軸和慢軸上的BPP為6.597mm·mrad和5.378mm·mrad。顯然，準(zhǔn)直后光斑在快軸和慢軸上的BPP均符合式(1)和(2)的要求。該模塊采用空間組合技術(shù)，可獲得較高的光耦合效率。

然后，簡(jiǎn)單的聚焦透鏡將準(zhǔn)直光束耦合到適當(dāng)?shù)臄?shù)值孔徑的光纖中。選用自THORLABS的球面柱透鏡，其焦距為8mm，空間組合后的CA比光斑尺寸大9mm，非球面聚焦透鏡的NA為5。利用軟件仿真結(jié)果可以得到耦合效率大于99.6%的121.11 W輸出功率。

圖6 空間光束的空間組合過(guò)程

3熱模擬分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該模塊的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高功率、高亮度、高穩(wěn)定性和可靠性。模塊的熱穩(wěn)定性是我們必須考慮的一個(gè)非常重要的因素。封裝采用模塊化設(shè)計(jì)，分為四個(gè)部分:片上安裝芯片、光學(xué)元件、多個(gè)二次模塊安裝和帶外殼的集成散熱片。通常需要冷卻水來(lái)降低模塊的熱量，因此模塊的整個(gè)組裝都固定在一個(gè)散熱片

[10-11]

。

通過(guò)兩個(gè)封裝的溫度比較，以評(píng)估模塊和散熱性能。熱模擬基于ANSYS軟件進(jìn)行模擬，每個(gè)單管運(yùn)行于14A，運(yùn)行功率為13.5 W，冷卻水溫度為20℃。仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 有限元分析軟件ANSYS的仿真結(jié)果

發(fā)射體以階梯的方式堆疊，提供了良好的熱路徑從半導(dǎo)體到冷卻板，確保芯片保持低溫。根據(jù)ANSYS的仿真結(jié)果，可以得到帶有9個(gè)單管的模塊在14a時(shí)的溫度為46.84℃，如圖8(A)所示。當(dāng)散熱器上只有一個(gè)管時(shí)，溫度為43.95℃，如圖8 (b)所示。9個(gè)管和1個(gè)管之間的模塊的溫度變化僅為2.9℃。因此，采用9個(gè)單半導(dǎo)體激光發(fā)射頭封裝整個(gè)模塊的方法對(duì)芯片的冷卻效果良好。

該實(shí)驗(yàn)是建立在使用空間光束組合和光纖耦合技術(shù)的多個(gè)單半導(dǎo)體激光管上。我們可以得到一個(gè)模塊，該模塊可以輸出111.5 W通過(guò)一個(gè)105μm,NA 0.22光纖。在該系統(tǒng)中，每個(gè)半導(dǎo)體通過(guò)透鏡在快軸和慢軸上分別準(zhǔn)直。發(fā)射體的幾何形狀和相應(yīng)的光學(xué)元件被安排以減少每個(gè)發(fā)射體之間的“死空間”，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)優(yōu)秀的“填充因子”和最大限度的半導(dǎo)體亮度。真實(shí)光斑如圖9所示。

圖9 空間組合后的真實(shí)光斑

當(dāng)電流為14A，中心波長(zhǎng)為915nm (3.2 nm半寬)時(shí)，測(cè)量模塊的最大功率為111.5 W。光纖耦合輸出功率結(jié)果如圖10所示，圖中為封裝中的光纖耦合半導(dǎo)體模塊。模塊的耦合效率為91.17%。綜合考慮準(zhǔn)直后的實(shí)際光斑大于激發(fā)光斑和光學(xué)系統(tǒng)中的功率損耗等因素，使得耦合效率低于激發(fā)光斑和準(zhǔn)直光斑的計(jì)算值。

最后，通過(guò)非球面聚焦透鏡將光束耦合到光纖中，實(shí)現(xiàn)光纖的光斑輸出，如圖11所示。

圖10 半導(dǎo)體激光誤碼率耦合模塊的輸出功率和電壓

圖11光纖的輸出光斑

這些模塊滿足市場(chǎng)對(duì)高亮度半導(dǎo)體激光器的需求，用于泵送光纖激光器和直接材料加工。這種機(jī)械安排方便地堆疊管保持半導(dǎo)體激光器的亮度。所以模塊的亮度估計(jì)為8. MW/(cm·sr)，根據(jù)公式(8)計(jì)算:

2

， （8）

式中，B為亮度，P為光纖的輸出功率，D為纖芯直徑。 4 結(jié)論

利用空間組合和光纖耦合技術(shù)，本次研究實(shí)現(xiàn)了9個(gè)半導(dǎo)體激光器單發(fā)射體高效耦合成光纖，輸出功率為111.5 W，亮度為8. MW/(cm2·sr)。模塊的體積和工作電壓更小。這樣的亮度水平將使半導(dǎo)體激光器與半導(dǎo)體泵浦的固態(tài)激光

器直接競(jìng)爭(zhēng)。此外，相信這些研究結(jié)果將對(duì)光纖激光器和半導(dǎo)體材料在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生極大的積極意義。

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