基于mini—bar高亮度半導體激光光纖耦合模塊

張志軍

摘要：目的：面對半導體激光合束光源直接應用于金屬材料焊接、熔覆、表面合金化等工業領域的需求市場[1-4]，對激光的亮度提出了更高要求，方法：本文采用12只出射波長分別為915、976nm的傳導冷卻半導體激光min-bar陣列為發光單元，并進行了光學設計、機械設計和總體組裝最終研制出了460W高亮度光纖耦合模塊。結果：實驗結果表明：該模塊光纖的連續輸出功率可達402W，光纖芯徑僅為200μm，數值孔徑NA=0.22，相當于激光亮2.19MW/（cm2·str）。結論：此高亮度模塊可以實現柔性加工，直接應用于金屬材料焊接、熔覆、表面合金化等工業領域，對于半導體激光器在工業領域實現應用具有重要的意義。

關鍵詞：min-bar陣列；光纖耦合；高亮度；偏振合束

1 引言

目前，半導體激光單元器件功率提高很快，但單個器件輸出功率較cm-bar仍有較大差距，面對超高功率cm-bar受制于電源最大電流的限制，一種新型大功率半導體激光mini-bar得以出現并迅速發展。半導體激光mini-bar陣列，又叫半導體激光短陣列（Diode laser short bars，DLSBs），目前已取得了一定的研究成果。m2k-laser報道了在微通道冷卻條件下，由5個發光單元組成的DLSBs在連續輸出模式下出光功率可達到50W，并且每個發光單元條寬僅為90μm；OSRAM和DILAS等聯合研制的填充因子（fill factor）為50%的DLSBs，其出光功率可達90W，它是由9個條寬為200微米的發光單元組成的，其周期為400μm。為了方便應用，這些研究單位已經利用DLSBs進行了光纖耦合，DILAS利用DLSBs作為發光單元研制成功了從200μm，NA=0.22的光纖出光功率為775W；該模塊僅使用了偏振合束，如果再結合波長合束可以更進一步提高出光功率。

目前國內還沒有發現利用mini-bar進行光纖耦合研究的報道，本文利用亮度較高mini-bar進行光纖耦合研究，以此來得到高亮度的光纖輸出，使半導體激光更加方便地應用于金屬材料焊接、熔覆材料加工。

2 設計原理

對于大功率半導體激光器通常使用光參數積（Beam Parameter Product，BPP）來衡量半導體光束質量的好壞，光參數積和亮度的定義為[5-6]：

光參數積 （1）

亮度 （2）

其中w0為光斑束腰半徑，θ0為遠場發散角，P為輸出功率。

由公式2可知，目前提高激光束亮度的主要方法：1）保持功率不變的情況下，減小發光單元的光束質量；2）在保持單元光束質量不變的情況下，通過采用空間合束、波長合束和偏振合束組合技術提高輸出功率，以達到提高系統亮度的目的。

實驗采用的mini-bar激光器快軸方向的發光尺寸為1.5μm，慢軸方向的發光尺寸為5mm，腔長為3.6mm，mini-bar由10個發光單元組成，每個發光單元的尺寸為90μm，發光周期為500μm，由快慢軸的發散角為45°×6°（90%能量）得出快慢軸方向的光束質量為：

BPPf = 1.5×10-3 mm/2×45×17.5 mrad/2=0.29 mm mrad （3）

BPPs = 5 mm/2×6×17.5 mrad /2=131.25 mm mrad （4）

根據式3可以看出mini-bar在快軸方向光束質量很好，達到了衍射極限；但是慢軸方向的光束質量很差，所以必須進行光束整形以減小慢軸方向光參數積，同時增加快軸方向的光參數積，一般采用光束分割重排的方法，常用的方法有棱鏡組、階梯鏡等分割重排的方法。本文采用了LIMO公司生產的光束轉換器]（Beam transform system， BTS）和自己設計的慢軸準直鏡（SAC）進行光束整形。

FAC是用來壓縮mini-bar快軸方向的發散角，其面型是非球面以消除球差。45 °傾斜柱透鏡陣列將每個發光單元出射的光束旋轉90°。從而減小了慢軸方向BBP值。考慮到45°傾斜柱透鏡像差、加工精度以及裝調誤差等因素，快軸發散角θFA？整形后為8 mrad。

由下式5：

，

（5）

式中ωSA=90 μm為發光單元寬度，θSA？為準直后慢軸發散角

采用普通柱面鏡將慢軸方向發散角壓縮到和快軸方向發散角相等，其焦距為fSA'，計算得fSA'=11.25 mm。準直后慢軸方向光斑尺寸為ωSA' ：

， （6）

光束整形后慢軸方向和快軸軸方向發散角相同，均為8 mrad。經計算單個mini-bar的光參數積為：

， （7）

對于一根給定的光纖，能夠耦合進光纖的最多mini-bar數目可以由光纖的光參數積與準直后mini-bar的光參數積的比值確定，計算方法如下：

（8）

（9）

其中， 和 表示的是快軸和慢軸方向可以耦合進的mini-bar數目， 和 分別是光纖芯徑和全發散角， 、 和 、 分別是快軸、慢軸方向的準直光束的束腰半徑和發散角， 和 為快軸、慢軸方向的填充因子。

從式5、8可以看出單個mini-bar在快軸方向的BPP值較小，為了增加激光功率，在快軸方向把光束疊加3層使快慢軸方向BPP值接近，該過程稱為空間復用。將mini-bar在快方向的間隔設置為2 mm，此時這個方向的光束質量為：

， （10）

為了進一步提高亮度，然后將應用空間合束技術的3只mini-bar在垂直方向上疊加起來的模塊作為一組，將3只915nm和3只976nm的傳導冷卻半導體激光min-bar進行波長合束，系統的亮度增加近一倍，然后利用PBS將上下兩層模塊偏振合束，系統的亮度又增加近一倍，理論上合束后光束質量不變。endprint

為了進一步壓縮激光束的發散角，我們在這里采用了一套2倍的伽利略望遠球面擴束系統，考慮到消像差，則由一個凹柱面鏡和一個凸柱面鏡組成，面型分別為平凹和平凸面型。在減小快慢發散角的同時會增加激光的光斑尺寸，但擴束過程中BPP值保持不變。

準直合束后的激光束形狀為矩形，則光束在對角線方向的光斑尺寸ω0和遠場發散角θ0由式11決定，為了滿足此光斑能夠耦合進入芯徑為200μm，數值孔徑NA=0.22的光纖，聚焦鏡的通光孔徑應大于激光光斑尺寸見式12，聚焦鏡的焦距不僅應使聚焦后的焦平面光斑直徑小于光纖芯徑Dfiber，還應該使聚焦后的光束發散角小于光纖對應數值孔徑NA的發散角見式13。式中D為激光聚焦鏡的口徑，f ？為激光聚焦鏡焦距。

（11）

（12）

（13）

計算得23.4mm≤f'≤35.3mm，本文選擇f ？=29.1mm。

3. 實驗及結果

3.1 BTS的安裝

利用駿河精機的精密六維調節架和自行設計的夾具將BTS調節到合適的位置和角度，然后利用UV膠將其固化在CS熱沉上，在水平方向變成快軸得到準直，發散角大小為8 mrad（1/e2）；在垂直方向變成慢軸，光束仍然發散。

3.2系統組裝及光束參數測量

經過精心機械設計和組裝各光學元件，首先將3個帶BTS的CS激光器熱沉固定在3層階梯底座上，然后裝調每個子模塊的慢軸準直鏡和反射鏡，在裝調時要保證每束光的出射方向相同，然后再將3只915nm和3只976nm的傳導冷卻半導體激光min-bar進行波長合束，然后利用PBS將上下兩層偏振合束；最后利用優化設計的三片式聚焦鏡將激光耦合進入光纖。

利用德國PRIMES公司生產的FocusMonitor光束質量分析儀來測量聚焦后光束的參數，以聚焦鏡焦平面為中心，在6倍瑞利長度上均分為21個平面，對每個平面激光強度進行分析并進行高斯擬合，經計算可得出光束的束腰直徑為175.2 μm，發散角為12.4 °，所以可將它耦合到芯徑200 μm，數值孔徑NA=0.22的光纖。

經測量在驅動電流為52.5 A時，此模塊聚焦鏡后功率為460.6 W，光纖出光功率為402 W，耦合的效率為87.2 %，電光轉換效率為43.1 %，在30 A時達到最大值47.3 %，亮度達到2.19MW/（cm2·str）。

造成模擬的整個系統的光-光轉換效率約為90%，與實際整個系統的光-光轉換效率約為80%，差別的主要原因是：

1） BTS裝調時有一定的指向性誤差使空間合束處存在漏光現象，造成能量損失；

2） 由于半導體激光器本身輸出光束的偏振度僅為98%及偏振棱鏡的偏振膜透射和反射也不完全，所以偏振合束時造成能量損失；

3） 偏振合束和波長合束時，合束后光斑沒有完全重疊，整體光斑變大致使耦合效率下降；

4 結論

本文采用mini-bar進行光纖耦合， 實現芯徑為200μm，數值孔徑NA為0.2的光纖402W 的高功率輸出，亮度達到2.19MW/cm2sr，光纖耦合效率超過85%，可以滿足光纖激光對光纖耦合半導體激光泵浦模塊高功率高亮度輸出的要求。同時此模塊可以直接應用于金屬材料的切割、焊接和打孔等工業加工應用的領域。對于半導體激光器在工業領域實現直接應用具有重要的意義。

參考文獻：

[1]大功率半導體激光器件的最新發展現狀分析，激光聚焦世界，2010年10月13

[2]Harald K？nig等，Scaling brilliance of high power laser diodes[J].SPIE，2010

[3]Matthias Haag等，Novel high-brightness fiber coupled diode laser device[J].SPIE，2007

[4]S.D.Roh等，Progress in high brightness diode laser based on tailored diode laser bar[J].SPIE，2010

[5] F. Bachmann， P. Loosen， R. Poprawe. High Power Diode Lasers Technology and Applications [M]， Springer Series in OPTICAL SCIENCES， 2007.

[6] 王祥鵬， 梁雪梅， 李再金等. 880nm半導體激光器列陣及光纖耦合模塊[J]， 光學精密工程， 2010， 18（5）.

WANG X P， LIANG X M， LI Z J et al.. 880 nm semiconductor laser diode arrays and fiber coupling module[J]， Opt. Precision Eng.， 2010， 18（5）. （in Chinese）endprint