基于單發光區芯片的大功率光纖耦合激光器的輸出遠場特征分析

夏曉宇，高 欣，許留洋，曹曦文，喬忠良，王憲濤，薄報學

(長春理工大學高功率半導體激光國家重點實驗室，吉林長春 130022)

基于單發光區芯片的大功率光纖耦合激光器的輸出遠場特征分析

夏曉宇，高 欣，許留洋，曹曦文，喬忠良，王憲濤，薄報學?

(長春理工大學高功率半導體激光國家重點實驗室，吉林長春 130022)

為研究光纖耦合激光器的輸出遠場特征，基于ZEMAX光學設計軟件，模擬了基于單發光區激光器芯片的多種光纖耦合結構，分析了不同耦合結構的輸出遠場特征。模擬結果表明:單管耦合輸出遠場分布通常為中間亮、邊緣暗的圓形光斑。當準直后的光束快慢軸光束尺寸基本一致時，遠場輸出光斑均勻性會得到極大改善；當存在光纖軸心角向誤差(大于1°)時，遠場輸出光斑的均勻性會明顯降低。多單管耦合時，單管之間的臺階高度若大于準直后的快軸光斑尺寸，則對應的遠場輸出為有暗區的同心圓環，單管的數量對應圓環的數量。為了提高輸出遠場分布的均勻度，應嚴格控制合束單管之間的臺階高度。

單發光區激光器；ZEMAX；光纖耦合；遠場特性

1 引 言

近年來，大功率半導體激光器在激光材料加工、泵浦光纖激光器和固體激光器、軍事應用等領域得到了廣泛的應用[1]。與激光bar條和疊陣相比，單管半導體激光器具有光束亮度大、體積小、可靠性高、溫度可控性好的優點[2]，但是其輸出功率低，不能滿足大功率激光輸出的應用要求，所以需要將多個單管激光器的輸出光束耦合進光纖中以提高輸出功率[3]。光纖耦合作為大功率半導體激光輸出的重要方式，具有輸出光斑均勻性好、亮度大、柔性傳輸等優點，在高功率固體/光纖激光器泵浦、激光切割/焊接加工等方面有廣泛的應用[4]。

在光纖耦合設計中，通常希望耦合后輸出光束的能量均勻地集中于一個圓形區域中，也就是輸出一個均勻的圓形光斑[5-6]，但在實際的耦合過程中，耦合光源的數量、合束光束之間的間隔、軸向分布等多種因素都會影響耦合輸出光束的能量分布。本文利用ZEMAX光學設計軟件[7-9]對不同的單發光區半導體激光器陣列結構進行高亮度光纖耦合設計，并分析其輸出遠場特征，研究了各種因素對遠場分布的影響。

2 基于單發光區半導體激光器的光纖耦合原理

激光光束質量通常由光參數積(Beam parameter product，BPP)描述，KBPP定義為光斑半徑和發散半角的乘積[10]，即

式中，d為光斑直徑，單位為mm，θ為發散角，單位為mrad。本文采用單元激光器的發光區尺寸為1 μm(快軸)×100 μm(慢軸)，發散角為50° (快軸)×10°(慢軸)，所以快慢軸的光束質量分別為

由此看出，半導體激光器快慢軸光束質量相差很多，快軸BPP遠小于慢軸BPP。為實現高功率激光光纖耦合，可在快軸方向進行光束疊加[11]，在近平衡快慢軸光束質量的前提下獲得數倍于單元激光器功率的高亮度光纖耦合輸出。基于半導體單發光區激光器的激光合束主要有階梯熱沉排列和階梯反射鏡排列兩種方式[12]，本文采用階梯反射鏡法對單發光區半導體激光器進行合束及光纖耦合設計。

圖1 基于階梯反射鏡法的單管半導體激光器光纖耦合結構Fig.1 Fiber coupling structure of the single emitted semiconductor diode lasers based on step mirror method

寬條形的半導體激光器快軸方向的發散角較大，不能直接用于合束或光纖耦合。我們首先對快軸光束進行準直。準直鏡采用非球面柱透鏡，有效焦距為0.45 mm。準直后的快軸發散半角為1.05 mrad，光斑半高度為0.22 mm。我們對慢軸光束也進行了準直設計。由于慢軸的發散角較小且BPP較大，所以采用球面柱透鏡進行準直，有效焦距為6.5 mm。準直后的慢軸方向發散半角為7.875 mrad，光斑半高度為0.58 mm。圖1為基于單發光區半導體激光器的階梯反射鏡合束光纖耦合典型結構。單元激光器在慢軸方向上按等間距排列，在快軸方向上按一定的臺階高度排列。準直后的光束經過階梯面反射鏡，在快軸方向上疊加實現空間合束，再由聚焦透鏡會聚并耦合進光纖中。

3 單發光區半導體激光器光纖耦合的輸出遠場特征

3.1 單管耦合的輸出遠場特征

利用ZEMAX光學設計軟件對單管半導體激光器進行光纖耦合設計。在常規情況下，其輸出遠場分布級照度曲線如圖2(a)所示。光纖對光束有整形作用，整形后的輸出光束為圓形分布，所以單管半導體激光器的光纖耦合遠場輸出為圓斑。因為聚焦光斑能量向中心會聚，導致圓斑中心較亮，邊緣較暗，對應的照度分布曲線的中間部分照度值較大。在常規情況下，單光源準直后的快軸尺寸遠小于慢軸尺寸，慢軸尺寸約為快軸尺寸的6倍，所以需要將快軸尺寸擴大6倍，再將光束耦合進光纖中，得到的遠場分布如圖2(b)所示。可以看出，使快慢軸光斑尺寸平衡可使耦合輸出的遠場光斑均勻性明顯改善。

圖2 理想情況下單管激光器光纖耦合輸出的遠場分布。(a)常規非對稱整形；(b)快慢軸光斑尺寸平衡。Fig.2 Far field distribution of fiber coupling output based on single emitted laser under ideal conditions.(a)Beam collimated asymmetrically.(b)Size of the collimation beam in the fast axis and slow axis is approximately the same.

圖3 光纖傾斜時的耦合輸出遠場分布Fig.3 Far field distribution of fiber coupling output while the fiber tilted

實際的耦合結構會存在一定的光纖軸心角向偏差，即光纖軸向相對于系統光軸的傾斜。圖3 (a)、(b)分別是光纖在光源慢軸方向相對于系統中心傾斜3°和10°時的遠場光斑分布圖和照度分布曲線，探測器距離光纖端面1 000 mm。相對于理想情況下的遠場分布，此時的遠場分布的中心亮度范圍減小而邊緣雜散光的范圍變大，對應的照度分布曲線的中心照度值大并向外部遞減。傾斜角越大，這種現象就越明顯。圖3(c)、(d)分別是光纖在光源快軸方向相對于系統中心傾斜3°和10°時的遠場光斑分布圖和照度分布曲線，探測器距離光纖端面1 000 mm。此時的遠場分布呈中心有暗區的圓環分布，且傾斜角越大則中心暗區越大。可見，快軸方向上的光纖傾斜對耦合輸出遠場分布特征的影響較大，在實際的耦合結構中，需根據遠場的設計要求控制光纖軸心角向偏移。

3.2 多單管耦合結構的遠場特征

除了影響合束后的光束BPP值，合束單元之間的臺階高度差對耦合輸出遠場特征也有明顯的影響。基于圖1所示基本結構，我們模擬了3個單管合束，臺階高度分別為0.44，0.6，0.8 mm的遠場分布圖，如圖4所示，上圖是遠場光斑，下圖是相應的分布曲線。模擬中所用聚焦鏡的焦距相同，探測器距離光纖端面的距離都為1 000 mm。

圖4 臺階高度分別為0.44(a)，0.6(b)，0.8(c)mm時的輸出遠場分布。Fig.4 Far field distribution of output with the step height of 0.44(a)，0.6(b)，0.8(c)mm，respectively.

當臺階高度為0.44 mm(等于準直后快軸光斑高度)時，遠場光斑分布為中心亮度稍高、外環亮度略有減小的同心圓環，照度均勻性較好。當臺階高度為0.6 mm和0.8 mm(大于準直后快軸光斑高度)時，遠場光斑分布為帶有暗區的同心圓環，亮區亮度也呈由內向外遞減的規律。比較圖(b)和圖(c)的光斑圖可以看出，臺階高度越大則暗區范圍越大，光斑尺寸變大、發散角增加。對比3種臺階高度的照度分布曲線可以看出，臺階高度越大則照度均勻性越差。因為合束結構是使光斑在快軸方向疊加，當合束單元之間的臺階高度等于快軸準直后的光斑高度時，合束后的光斑之間沒有空隙，聚焦鏡的作用是使合束后的光線匯聚于一點，不改變成像物體的原有特征只是將成像物體縮小，聚焦光斑內部細節和聚焦前沒有變化，也就是不存在空隙，所以經過光纖作用后輸出的光斑也不存在暗區；當合束單元之間的臺階高度大于快軸準直光斑高度時，合束后的光斑之間存在空隙，所以聚焦后的光斑內部也存在空隙，經過光纖作用后輸出的光斑就會存在暗區。

因此在實際的應用中，若要得到輸出遠場無暗區、照度分布均勻的光斑，需要使單管之間的臺階高度等于準直后的快軸光斑高度。

為了研究合束單管數量對耦合輸出遠場分布特性的影響，我們基于圖1所示基本結構，分別設計了單管數為2，3，4，5個的耦合結構，各單管之間的臺階高度均設置為0.6 mm，模擬中各模塊的中心對準光源中心。圖5為其輸出遠場光斑分布圖及相應的照度分布曲線。不同單管數量耦合時的聚焦鏡焦距相同，探測器距離光纖端面的距離都為1 000 mm。

從圖5中可以看出，當合束單管數量為偶數時，光纖耦合輸出遠場分布為空心的圓環，對應的照度曲線的中間照度值為0；當合束單管數量為奇數時，輸出遠場分布為實心的圓環，對應的照度曲線的中間照度值最大。這是由合束光束的中心位置決定的。若是偶數個單元合束，則合束中心能量為0，所以光纖耦合后的輸出遠場分布為空心圓斑，對應的中心照度值為0；若是奇數個單元合束，則合束中心能量不為0，所以光纖耦合后的輸出遠場分布為實心圓斑，對應的中心照度值為最大。

圖5 2(a)，3(b)，4(c)，5(d)個單管耦合的遠場分布圖。Fig.5 Far field distribution of 2(a)，3(b)，4(c)，5(d)emitters coupling.

以上結果是在光源中心和各透鏡的中心對齊情況下模擬得到的，在實際情況中，透鏡中心相對于結構中心可能存在位移誤差，所以本文模擬了聚焦鏡中心與光纖中心對齊但二者相對于結構中心有位移誤差時的輸出遠場特性，圖6(a)、(b)、(c)、(d)是在兩個單管快軸臺階高度為0.6 mm合束時，聚焦鏡中心和光纖中心同時偏移合束中心分別為0，0.1，0.2，0.3 mm時的輸出遠場分布特性及相應的照度分布。聚焦鏡的焦距相同，探測器距離光纖端面的距離都為1 000 mm。

從圖6輸出遠場分布可以看出，透鏡位移誤差對輸出遠場分布特性具有明顯的影響。在實驗中，可以通過調節透鏡的橫向位置來調節輸出遠場分布均勻性。

圖6 透鏡存在位移誤差時的輸出遠場分布，聚焦鏡中心和光纖中心同時偏移合束中心分別為0(a)，0.1(b)，0.2(c)，0.3 mm(d)。Fig.6 Far field distribution of output while lens in the presence of displacement error of 0(a)，0.1(b)，0.2(c)，0.3 mm (d)，respectively.

4 結 論

本文基于單發光區芯片的半導體激光器設計了不同的光纖耦合結構，分析了各結構的輸出遠場分布特征。結果表明，影響光纖耦合激光器輸出遠場分布特征的因素主要為合束單元之間的臺階高度、合束單管數量以及安裝誤差。當準直后的光束快慢軸光束尺寸基本一致時，遠場輸出光斑均勻性得到極大改善(90%強度分布空間大于95%)；當存在光纖軸心角向誤差(大于1°)時，遠場輸出光斑的均勻性會明顯降低。多單管耦合時，單管之間的臺階高度若大于準直后的快軸光斑尺寸，則對應的遠場輸出為有暗區的同心圓環，單管的數量對應圓環的數量。為了提高輸出遠場分布的均勻度，應嚴格控制合束單管之間的臺階高度。

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夏曉宇(1992－)，女，內蒙古興安盟人，碩士研究生，2014年于浙江師范大學獲得學士學位，主要從事高功率半導激光器的研究。

E-mail:1193406006＠qq.com

薄報學(1964－)，男，河南淇縣人，博士，教授，2002年于吉林大學獲得博士學位，主要從事高功率半導體激光器技術與應用的研究。

E-mail:bbx＠cust.edu.ccn

《發光學報》第12屆編委會紀要

2016年11月16日，《發光學報》編輯部借第十四屆全國發光學學術會議召開之機，在上海舉行了第12屆編委會。本次編委會共有名譽主編范希武，主編申德振，編委王永生、江風益、尹民、鄭海榮、徐春祥、呂有明、宋宏偉、單崇新、黎大兵等16人參加。

《發光學報》常務副主編付國柱首先向各位編委匯報了編輯部最近3年的主要工作、取得的成績、存在的問題及以后的工作設想，然后與會的各位編委就如何進一步辦好期刊展開了熱烈的討論。自2010年《發光學報》成為美國工程索引(EI)的源期刊以來，學術質量和來稿量逐年提升。編委們也對學報的發展給予了大力的支持，共有20余名編委為學報撰寫了高水平的文章，為提升學報的學術水平和影響力做出了重大貢獻。編委們紛紛表示，今后將一如既往地支持學報的發展，積極為學報提供并推薦高水平的文章，使學報的學術質量和評價指標不斷提高。

黎大兵編委提出設置責任編委的建議，號召各位編委就自身的研究領域幾人負責一個學科方向，不僅負責把握來稿的學術質量，向本領域的專家約稿，而且利用自身的影響力推廣學報發表的文章，使學報的學術質量和評價指標得到較大幅度的提高。黎大兵編委身體力行，決定在2017年負責籌辦1期半導體器件方面的專欄，并在專欄發表后的幾年內在本領域大力推介這些文章，使文章的關注度、影響力遠超平均水平。王永生編委提出要重視手機等新媒體對期刊的宣傳作用，在期刊建設方面要有超前的眼光，在數字化和電子化方面要爭取走在國內期刊的前列。

本次會議各位編委提出了許多建設性意見，為《發光學報》今后的發展指明了前進的方向。可以預見，在各位編委的大力支持下，《發光學報》一定會越辦越好，學術地位和影響力不斷得到提升。

付國柱

Output Far Field Characteristics of High Power Fiber Coupling Diode Lasers Based on Single Emitter Devices

XIA Xiao-yu，GAO Xin，XU Liu-yang，CAO Xi-wen，QIAO Zhong-liang，WANG Xian-tao，BO Bao-xue?
(State Key Laboratory of High Power Semiconductor Laser，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China)?Corresponding Author，E-mail:bbx＠cust.edu.cn

In order to study the output far field characteristics of optical fiber coupled laser diodes，several kinds of fiber coupling structures based on single emitting diode laser chip were simulated by ZEMAX optical design software，the analysis on the far field characteristics were conducted.The simulation results show that the far-field output distribution of a single emitter coupling structure is usually a circular spot with a brighter center and a weak light zone outside.When the size of the collimation beam in the fast axis and slow axis is approximately the same，the far field output uniformity improves greatly.When the angular error of optical fiber along the central axis is large(more than 1°)，the uniformity of the output far field spot reduces significantly.For multi-chip fiber coupling，if the step height between single emitters is greater than the size of the collimated beam in the fast axis，the output far field distribution is ring-like with dark zone，and the number of the emitters is corresponding to the number of rings.In order to improve the uniformity of the output far field distribution，the step height between the single emitters must be strictly controlled.

single emitting diode laser；ZEMAX；optical fiber coupling；far field characteristics

TP394.1；TH691.9

A

10.3788/fgxb20173802.0170

1000-7032(2017)02-0170-07

2016-08-02；

2016-10-24

國家自然科學基金(61176048，61177019，61308051)；吉林省科技發展計劃(20150203007GX，20160203017GX)；中物院高能激光重點實驗室基金(2014HEL01)資助項目Supported by National Natural Science Foundation of China(61176048，61177019，61308051)；Science and Technology Development Plan of Jilin Province(20150203007GX，20160203017GX)；Foundation of Key Laboratory of High Energy Laser of China Academy of Engineering Physics(2014HEL01)