高亮度大功率半導體激光器光纖耦合模塊

劉力寧， 高 欣， 張曉磊， 張哲銘， 顧華欣， 徐雨萌， 喬忠良， 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)

1 引 言

近年來，光纖激光器在信息傳輸、金屬焊接、汽車制造等方面發展迅速。要獲得輸出功率較高的光纖激光器，需要保證其泵浦源出射亮度高，同時泵浦源模塊的輸出功率很大[1]。半導體激光器大功率、高亮度的特點在應用時有著突出優勢，所以對于提高耦合模塊的功率和亮度是十分重要的。半導體激光器本身也有很多優點，如光電轉換效率高、散熱性好、體積小、工作時間長、性能穩定等，所以在工業加工方面的直接應用也越來越廣泛。LD芯片可以分為3種：單邊發射型、bar條型、疊陣型。相比于bar條型和疊陣型，單邊發射型半導體激光器有著單發光點輸出功率和亮度更高、結構散熱更好、更緊湊等優點。輸出時為了獲得更大的能量和更高的亮度，通常使用多個半導體激光器進行空間合束和偏振合束[2-4]。中國工程物理研究院于2016年使用16支每支功率16W的雙管半導體激光器成功耦合進入105μm/NA0.15的光纖中，輸出功率達154W，亮度達25MW/cm2-str，耦合效率約為60.16%[5]。中物院利用階梯狀合束方法將5個激光器的出射光耦合進105μm/NA0.2的光纖，輸出功率為21.8W，亮度為1.83MW/cm2-str[6]。2015年國內第一臺輸出功率達5kW的高功率半導體激光系統由北京工業大學研制成功[7]。

鑒于單邊發射半導體激光器的優良性能，本文應用多支單偏振態單邊發射半導體激光器，通過空間階梯式疊加組合光束和偏振式合束的手段，設計滿足產品化規格的光纖耦合模塊。通過機械軟件設計對應光學系統的模塊結構，優化模塊中的熱沉結構，使用熱分析軟件分析整個耦合模塊溫度情況。獲得優化后的新型熱沉結構，使模塊溫度有效降低。從而為大功率、高亮度光纖耦合模塊產品提供結構模型和數據支持。

2 光學設計

單邊發射型LD的整個外延層厚度約為4～5μm，P型電極位于外延層的上方，外延層下為N型電極。發光條寬一般在90～200μm之間，腔長為1～4mm[8]。有源區比較薄，垂直有源區方向容易產生衍射效應，通常將與p-n結互相垂直的方向定義為快軸，快軸方向光束發散嚴重，通常角度能夠達到15°～35°；定義慢軸為與p-n結方向一致，慢軸方向的光發散角度一般為6°～15°。圖1(a)為單邊發射激光器的模型，圖1(b)為單邊發射LD光束的長距離輸出圖形，可以看出輸出光形為橢圓。

評價光束品質好壞有很多種方法，光參數積(KBPP)是其中一種[9]。定義KBPP為光斑半徑與發散半角的乘積:

(1)

圖1 (a)單邊發射LD示意圖； (b) 遠距離輸出光斑。

Fig.1(a) Laser diodes of the single-emitter.(b) Light spot of far field.

ω為光斑發散直徑，θ為光斑發散角。

(2)

KBPPf,s分別為激光二極管快慢軸的光參數積。

本文應用16支單偏振模式、波長為980nm、功率為12W的單邊發射半導體激光器進行設計，單邊發射LD發散角為30°(快軸)×8°(慢軸)，有源區面積為1μm(快軸)×90μm(慢軸)，腔長為4000μm。由光參數積的定義得：

KBPPf=0.0005mm×263mrad=0.13mm·mrad,

(3)

KBPPs=0.045mm×70mrad =3.15mm·mrad,

(4)

由式(2)、(3)、(4)可知,所采用的激光模塊滿足耦合條件。可以看出快軸相比慢軸光束質量為好，但快軸發出光有較大發散角，不利于光纖耦合，所以需要通過光學設計準直光束。壓縮快軸發散角時使用的快軸準直透鏡(FAC)規格參數比較嚴格，且加工工藝難度大。快軸準直透鏡(FAC)有球面鏡、柱面鏡、非球面鏡等多種，為了減小準直時產生的像差，本文使用的是非球面橢圓柱面鏡，選用LIMO公司的FAC-300型快軸準直透鏡，其焦距為0.3mm，非球面系數為-0.503。光束經過準直透鏡后光發散角為1.67mrad。由于快軸準直鏡裝調時會產生±0.5mrad的指向誤差[10-12]，所以快軸發散角為2.67mrad。慢軸光束發散角較為理想，使用橢圓柱面鏡作為慢軸準直鏡(SAC)既可以減少工藝成本，同時也可以達到設計要求，其焦距為20mm，經優化后光束在慢軸方向的發散角為2.5mrad。通過準直后，每個激光器快慢軸的光束質量對比如表1所示。圖2(a)為ZEMAX模擬快慢軸準直系統，圖2(b)為準直后輸出遠場光斑圖，圖3為準直半導體激光器發散角。

表1 準直前后的單邊發射LD的光束參數對比

圖2 (a)ZEMAX模擬快慢軸準直系統；(b)準直后輸出遠場光斑圖。

Fig.2 (a) Fast-slow axis collimation by ZEMAX. (b) Light spot after collimation.

圖3 (a)準直后快軸發散角； (b)準直后慢軸發散角。

Fig.3 (a) Fast axis divergence angle after collimation. (b) Slow axis divergence angle after collimation.

光束準直后慢軸方向KBPPs為3.5 mm·mrad，遠遠大于快軸方向KBPPf的0.4 mm·mrad，所以需要通過合束方式增大快軸KBPPf值。由于光纖KBPP值限制和耦合輸出功率盡量大的要求，所以在快軸方向排列8支單偏振態半導體激光器，在慢軸方向只能排列1支。在快軸空間疊加合束時本文使用階梯結構，并添加多片反射鏡來完成，由于快軸準直后光斑直徑為0.3 mm，考慮實際機械加工誤差，確定臺階高度差為0.4 mm，相鄰激光器距離為7 mm。由于準直后慢軸光束有5 mrad發散角，所以空間合束后第8支激光器和第1支激光器存在的光程差將導致最頂端光束沿慢軸方向增擴0.2 mm，慢軸方向光斑尺寸最大為3 mm，慢軸KBPP值最大為3.75 mm·mrad，由公式(3)可知耦合條件依然可以得到滿足。通過偏振合束可以將兩束不同偏振態的光束進行合束。將其中一組出射光通過1/2波片，光束偏振角度將轉變π/2。兩組光通過偏振棱鏡實現P光可以透射，S光能夠反射，最終實現偏振合束。光束經過偏振合束后光束質量不變，但功率能夠增加一倍，實現了輸出大功率的目標。表2是合束后光束參數對比。圖4(a)為光路合束結構示意圖,圖4(b)為合束光斑及尺寸。

設計光纖耦合模塊時對光學聚焦系統要求嚴格，良好的聚焦系統是獲得模塊大功率的保證。由于光纖芯徑很小，所以聚焦時對光斑尺寸要求很高。合束后光斑形狀近似為矩形，通過聚焦系統后要求聚焦光斑最大距離(光斑對角線距離)小于光纖的直徑。同時聚焦光斑最大發散角要小于光纖接收入射光的入射角度。聚焦透鏡焦距應滿足公式(5)：

表2 空間合束前后的光束參數對比

圖4 (a)合束后光路結構圖；(b)合束后光斑圖。

Fig.4 (a) Optical design structure after the unit of spatial multiplexing after the spatial combination. (b) Light spot from the unit of spatial multiplexing after the spatial combination.

(5)

F為聚焦透鏡組焦距；ω為光斑半尺寸；θ為光束發散角；D為芯徑；KNA為數值孔徑。

由幾何光學可知聚焦時如果產生像差，聚焦光斑會遠遠大于理想聚焦光斑。 這樣則很難保證聚焦后光斑滿足耦合要求，會降低耦合效率。所以光束聚焦時必須進行消像差，通常使用的聚焦系統包括垂直柱透鏡聚焦鏡組、三片式聚焦鏡組、非球面聚焦透鏡。本文模擬設計了非球面型聚焦鏡和三片式消像差聚焦鏡組，對比發現非球面聚焦鏡聚焦效果更為理想，所以選擇非球面聚焦透鏡進行模擬設計。圖5(a)為非球面聚焦鏡聚焦光斑，圖5(b)為三片式聚焦鏡組聚焦光斑，圖5(c)為光纖輸出100 mm后的光斑圖。

圖5 (a)非球面聚焦鏡聚焦光斑；(b) 三片式聚焦鏡組聚焦光斑；(c)光纖輸出100 mm后的光斑圖。

Fig.5 (a) Light spot from aspherical focusing mirror. (b) Light spot from three-chip focusing mirror group. (c) Light spot of fiber output after 100 nm.

作為光纖激光器的泵浦源，半導體激光器光纖耦合模塊的亮度也應盡量提高。由公式(5)可知聚焦系統的焦距范圍為6.84 mm≤F≤18.77 mm。光纖具有均勻光效應[13]，且聚焦后的光在光纖中進行全反射，根據幾何光學可知全反射時出射角等于入射角，所以設計聚焦系統時應使進入光纖時光束的入射角盡量小。本文選擇非球面聚集透鏡焦距為18 mm、非球面系數為-0.546的長焦距聚集透鏡，可以盡量壓縮入射角。聚焦后，光斑數值孔徑為0.08。聚焦后的耦合模塊輸出功率達到189.4 W，耦合模塊輸出功率效率值達到98.6%。由亮度公式:

(6)

計算得到耦合模塊亮度達到94.66 MW/cm2-str。

3 模塊熱分析

半導體激光器光纖耦合模塊的散熱性能是否良好決定著模塊的使用壽命[14]。溫度升高會引起紅移、輸出功率效率降低等問題。因此對大功率半導體激光器耦合模塊封裝時要求盡量低熱阻封裝。本文應用導熱性良好的Cu、AlN做熱沉，結合機械軟件設計階梯式熱沉模型。在不影響光路前提下優化熱沉結構，使耦合模塊散熱效果更好。優化設計熱沉AlN距離Cu熱沉邊緣0.5 mm，優化后在25 ℃恒溫環境下，單排模塊最高結溫為42.4 ℃，溫度比優化前結構降低1 ℃以上。模塊最高溫度與最低溫度差為1.2 ℃。圖7(a)為單排模塊熱沉結構和熱分析結果，圖7(b)是整個耦合模塊的熱沉結構和熱分析結果。

圖7 (a)單排模塊結構熱分析結果；(b)整個模塊結構熱分析結果。

Fig.7 (a)Thermal analysis results of single row module structure. (b) Thermal analysis results of the whole module structure.

4 結 論

本文結合實際生產要求及可行性參數，設計大功率、高亮度LD光纖耦合模塊。用ZEMAX仿真優化模塊光學系統，設計合理的準直、合束以及聚焦系統。以16支單偏振態、波長980 nm、功率12 W的激光器為基礎，通過階梯結構結合多反射鏡設計出半導體激光器光纖耦合模塊。耦合進直徑100 μm、數值孔徑NA為0.2的光纖中。最終實現模塊耦合輸出功率值達到189.4 W，耦合輸出功率效率值達到98.6%，輸出光源亮度值達到94.66 MW/cm2-str。通過機械軟件優化得到新熱沉結構，使用ANSYS軟件對整體結構進行溫度仿真，結果表明模塊結溫42.4 ℃，相比優化前結構溫度降低1 ℃以上，得到良好的散熱結構模型。

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