基于ZEMAX高功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合設(shè)計(jì)

周澤鵬，薄報(bào)學(xué)，高 欣，王 文，許留洋，王云華，周 路

(長春理工大學(xué)高功率半導(dǎo)體激光國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長春 130022)

1 引 言

近年來，隨著光電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，大功率半導(dǎo)體激光器在激光加工、生產(chǎn)、生活等領(lǐng)域方面的應(yīng)用范圍逐步拓寬［1］。目前，半導(dǎo)體激光器與多模光纖耦合的研究已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)成熟階段［2］，單管半導(dǎo)體激光器與光纖的高效耦合變得尤為重要。單管半導(dǎo)體激光器具有效率高、體積小、可靠性良好等優(yōu)點(diǎn)［3］，但是，由于半導(dǎo)體激光器固有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，大功率半導(dǎo)體激光器的光參量積在快軸、慢軸方向相差較大，輸出光能量不集中，遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布不均勻，很難用普通的光學(xué)系統(tǒng)得到高亮度的大功率激光輸出，嚴(yán)重妨礙了大功率半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用［4］。為了實(shí)現(xiàn)光纖耦合半導(dǎo)體激光器的大功率、高亮度輸出，人們已經(jīng)發(fā)展了多種激光合束與整形技術(shù)［5］。單管半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊不僅可以從根本上改善輸出光束的光束質(zhì)量，而且采用多個(gè)單管半導(dǎo)體激光器進(jìn)行合束，輸出光束的總功率可以達(dá)到單體功率的數(shù)倍甚至數(shù)十倍。

本文運(yùn)用ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件［6］對12只單管半導(dǎo)體激光器進(jìn)行了光纖耦合模塊設(shè)計(jì)以及模擬仿真。單管半導(dǎo)體激光器為單偏振態(tài)，波長為808 nm，輸出功率為10 W［7］，快軸方向發(fā)散角為50°，慢軸方向發(fā)散角為8°，發(fā)光面積為1 μm(快軸)× 200 μm(慢軸)［8］，腔長為 4 000 μm。模塊采用階梯熱沉排列結(jié)構(gòu)，首先通過快軸準(zhǔn)直系統(tǒng)對單管半導(dǎo)體激光器的快慢軸光束進(jìn)行準(zhǔn)直，再通過偏振耦合鏡組進(jìn)行偏振合束，最后通過聚焦系統(tǒng)耦合進(jìn)纖芯直徑150 μm、數(shù)值孔徑0.22的光纖中，輸出功率為116.2 W，耦合效率為96.8%。

2 單管半導(dǎo)體激光器的光束特性

單管半導(dǎo)體激光器的有源層較薄，衍射效應(yīng)使得單管半導(dǎo)體激光器的光束存在發(fā)散角并且快慢軸方向的發(fā)散角不一致?？燧S方向(垂直于pn結(jié)方向)的發(fā)散角較大，達(dá)到18°～40°;慢軸方向(平行于pn結(jié)方向)的發(fā)散角相對較小，為8°～12°。這就產(chǎn)生了光束遠(yuǎn)場的不對稱性。圖1為單管半導(dǎo)體激光器的示意圖，圖2為單管半導(dǎo)體激光器光源的遠(yuǎn)場發(fā)光特性，遠(yuǎn)場光斑呈橢圓形分布。

圖1 單管半導(dǎo)體激光器示意圖Fig.1 The single-emitter laser diodes

圖2 單管半導(dǎo)體激光器光源的遠(yuǎn)場發(fā)光特性Fig.2 The far field of single-emitter laser diodes lighting feature

光參數(shù)積(BPP)可以較好地表征激光光束質(zhì)量，光參數(shù)積定義為光斑半徑與發(fā)散半角的乘積［9］。

其中，BPPfa為快軸方向的光參數(shù)積，ωfa為快軸方向的光斑直徑，θfa為快軸方向的發(fā)散角，BPPsa為慢軸方向的光參數(shù)積，ωsa為慢軸方向的光斑直徑，θsa為慢軸方向的發(fā)散角。BPPfiber為光纖光參數(shù)積，ωfiber為光纖纖芯直徑，θfiber為光纖最大發(fā)散角。

3 ZEMAX仿真模擬

本文應(yīng)用ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對12只波長為808 nm的單管半導(dǎo)體激光器輸出的光束進(jìn)行合束，并且耦合進(jìn)纖芯直徑為100 μm、數(shù)值孔徑為0.22的光纖中進(jìn)行模擬仿真。單管半導(dǎo)體激光器的輸出功率為10 W，快軸方向發(fā)散角為50°，慢軸方向發(fā)散角為 8°，發(fā)光面積為 1 μm(快軸)×200 μm(慢軸)，腔長為 4 000 μm。由單管半導(dǎo)體激光器快慢軸方向的尺寸和發(fā)散角以及光纖的纖芯直徑和數(shù)值孔徑，可以得出光束快慢軸方向和光纖的光參數(shù)積:

由式(4)、(5)、(6)可以看出，2BPPfa-sa≤BPPfiber，滿足半導(dǎo)體激光器光纖耦合條件。由式(4)、(5)可見，慢軸方向的光參數(shù)積較大，達(dá)到了7 mm·mrad，遠(yuǎn)大于快軸方向的光參數(shù)積0.219 mm·mrad。在所有非相干多光束耦合系統(tǒng)中，主要有空間復(fù)合、偏振復(fù)合、波長復(fù)合3種復(fù)合方式［10］。通過ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件模擬熱沉階梯式排列結(jié)構(gòu)，使激光器發(fā)出的光束在快軸上進(jìn)行合束，這種排列方式不僅結(jié)構(gòu)相對簡單，使用的器件較少，而且調(diào)試比較方便，有利于高效率的光纖耦合。

首先對兩組階梯熱沉上的12只單管半導(dǎo)體激光器輸出光束進(jìn)行快慢軸準(zhǔn)直?？燧S方向應(yīng)用平-凸柱透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直，有效焦距(EFL)為0.64 mm。為了減小像差，對曲面進(jìn)行了非球面處理，非球面系數(shù)為－0.48。慢軸方向應(yīng)用平-凸非球面柱透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直，有效焦距(EFL)為42.902 mm，曲面同樣也進(jìn)行了非球面處理，非球面系數(shù)為－0.58。圖3為在ZEMAX非序列模式下模擬出來的808 nm單管半導(dǎo)體激光器的快慢軸準(zhǔn)直光路圖。

圖3 808 nm單管半導(dǎo)體激光器快慢軸準(zhǔn)直光路圖Fig.3 The fast-slow axis collimation of 808 nm single-emitter laser diodes

經(jīng)過準(zhǔn)直后，快軸方向的發(fā)散半角達(dá)到0.78 mrad，快軸方向發(fā)光尺寸為0.6 mm。慢軸方向發(fā)散半角達(dá)到2.34 mrad，慢軸方向發(fā)光尺寸為6 mm。單管半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直前后在快慢軸方向的光束參數(shù)如表1所示。

由表1可知，準(zhǔn)直后的半導(dǎo)體激光器在快慢軸方向的發(fā)散角很小，可以近似看成是有一定尺寸的平行線光束。但由于慢軸方向的光參數(shù)積遠(yuǎn)大于快軸，所以需要把快軸方向上的光束進(jìn)行疊加。12只單管半導(dǎo)體激光器按快軸疊加方式排列在兩組階梯熱沉上，每組階梯6只，階梯的高度是1 mm，熱沉的尺寸是6 mm×6 mm×1 mm。為了縮減整個(gè)半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊的尺寸，兩組階梯熱沉平行排列放置。圖4為在ZMEAX非序列模式下模擬出來的單管半導(dǎo)體激光器快軸疊加光路圖。

表1 準(zhǔn)直前后的單管半導(dǎo)體激光器的光束參數(shù)Table 1 The beam parameters of the single-emitter laser diodes before and after collimation

圖4 單管半導(dǎo)體激光器快軸疊加光路圖Fig.4 The fast axis overlying of the single-emitter laser diodes

輸出光束在快軸疊加之后的快慢軸發(fā)光尺寸為6 mm×6 mm，快慢軸發(fā)散半角為0.78 mrad×2.34 mrad，快慢軸的光束參數(shù)為:

表2 疊加前后單管半導(dǎo)體激光器的光束參數(shù)Table 2 The beam parameters of the single-emitter laser diodes before and after the fast axis overlying

經(jīng)過快慢軸準(zhǔn)直后，其中一組階梯熱沉上的6支單管半導(dǎo)體激光器的輸出光束通過一個(gè)反射鏡反射，使光束在慢軸傳播方向上扭轉(zhuǎn)90°，與另一組激光器發(fā)出的光束相互垂直。由于單管半導(dǎo)體激光器的光束是單偏振態(tài)，所以當(dāng)其中的一束光經(jīng)過一個(gè)半波片后，兩束光的偏振態(tài)就變得相互垂直。之后兩束光經(jīng)過偏振耦合鏡組進(jìn)行偏振合束，合束之后的發(fā)散角和發(fā)光尺寸不變。圖5為在ZEMAX非序列模式下給出的快慢軸準(zhǔn)直和偏振合束光路圖，圖6給出了半導(dǎo)體激光器在偏振合束之后的光斑圖。

圖5 快慢軸準(zhǔn)直和偏振合束光路圖Fig.5 Fast-slow axis collimation and polarization combined beams

圖6 偏振合束后的光斑圖Fig.6 The spot diagram after polarization combined beam

偏振合束之后光束的發(fā)光尺寸為6 mm(快軸)×6 mm(慢軸)，發(fā)散半角為 0.78 mrad(快軸)×2.34 mrad(慢軸)，經(jīng)偏振合束之后光束快慢軸方向的光參數(shù)積為:

對光束聚焦時(shí)，聚焦光斑很小。若聚焦時(shí)產(chǎn)生球差，就會(huì)使聚焦光斑尺寸大于光纖芯徑，降低耦合效率，因此聚焦時(shí)必須消球差。本文利用ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對聚焦鏡組進(jìn)行函數(shù)優(yōu)化并確定其焦距為21 mm。透鏡的材料選用BK7光學(xué)玻璃，選取3片式聚焦耦合鏡組為初始結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的最佳結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 聚焦鏡組結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Focus lens group structure

圖8是輸出光束的彌散光斑圖，從圖中可知在視場角為0°時(shí)，點(diǎn)列圖的幾何彌散圓直徑小于艾里斑直徑。

圖8 輸出光束彌散光斑圖Fig.8 Output beam dispersion facula diagram

圖9給出了光纖端面處的光斑圖。由圖可以看出，光纖端面處的輸出功率為116.2 W，光纖耦合的輸出功率達(dá)到了96.8%。由于光線經(jīng)過透鏡時(shí)會(huì)有一部分的能量損失，所以輸出功率會(huì)有所下降。

圖9 光纖端面處的光斑圖Fig.9 Optical fiber surface spot diagram

最后，圖10給出了12只單偏振態(tài)、功率10 W、波長808 nm的單管半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊的整體光路圖。

圖10 808 nm半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊光路圖Fig.10 The 808 nm laser diodes optical fiber coupling module light path diagram

4 結(jié) 論

通過ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件模擬仿真單管半導(dǎo)體激光器階梯排列和偏振合束，設(shè)計(jì)了12個(gè)單偏振態(tài)、波長808 nm的單管半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊。模塊中每個(gè)半導(dǎo)體激光器功率是10 W，采用串聯(lián)方式，將單管半導(dǎo)體激光器輸出光束耦合進(jìn)纖芯直徑150 μm、數(shù)值孔徑0.22的光纖中。模塊的輸出功率為116.2 W，耦合效率達(dá)到96.8%。

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