光纖耦合半導(dǎo)體機關(guān)器的應(yīng)用與研究

黃晶　張立莉

摘 要：光纖耦合聚焦系統(tǒng)常見圓光斑光纖耦合與半導(dǎo)體激光方光斑光纖耦合，國產(chǎn)陣列型半導(dǎo)體激光堆棧將激光耦合進芯徑為800μm，數(shù)值孔徑（NA）為0.2的傳能光纖中，實現(xiàn)了光纖耦合半導(dǎo)體激光輸出光功率5 109W，光纖耦合效率85.69%，系統(tǒng)整體電光轉(zhuǎn)換效率49.48%；在聚焦鏡焦距為250mm時其激光功率密度達到2×105W/cm2對我國國產(chǎn)高功率光纖耦合半導(dǎo)體激光器的開發(fā)和金屬加工等領(lǐng)域起到了非常重要的作用。

關(guān)鍵詞：光纖耦合；半導(dǎo)體激光器；金屬加工

1 引言

半導(dǎo)體激光器是近 50 年來發(fā)展快、成果多、科學(xué)滲透廣、應(yīng)用領(lǐng)域?qū)挼囊环N電光轉(zhuǎn)換器件。它以半導(dǎo)體材料作為增益介質(zhì)，利用電子在能級間躍遷發(fā)光，直接以半導(dǎo)體晶體解離面形成的平行反射鏡構(gòu)成諧振腔，在電注入下形成光振蕩、反饋、產(chǎn)生光的輻射放大，實現(xiàn)激光輸出。相較于其他激光器類型，半導(dǎo)體激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、壽命長、能直接調(diào)制及易與其他半導(dǎo)體器件集成等特點，小功率器件作為信息載體早已廣泛應(yīng)用于光通信、光存儲和激光打印等信息領(lǐng)域。據(jù) Laser Focus World 統(tǒng)計，2010 年至2014 年，半導(dǎo)體激光器收益連續(xù)占據(jù)整個激光市場的半壁江山。

在美國 SHEDS、ADHEL和德國 BRIO-LAS、IMOTHEB及歐洲 BRIDLE等項目的支持下，半導(dǎo)體激光芯片結(jié)構(gòu)、外延生長和器件封裝等激光技術(shù)均有了較大的發(fā)展，單元器件性能實現(xiàn)了重大突破，如電光轉(zhuǎn)換效率達 70% 以上、1 cm bar 激光線陣連續(xù)輸出功率超過千瓦等。隨著其大功率化的發(fā)展，無論作為直接光源還是泵浦源，半導(dǎo)體激光器在加工、醫(yī)療、顯示及國防等領(lǐng)域均顯示出巨大的應(yīng)用前景。

比較國內(nèi)外光纖耦合半導(dǎo)體激光模塊的輸出功率和光束質(zhì)量可以看出，國內(nèi)在半導(dǎo)體激光器技術(shù)方面的研究相對比較落后，因此目前國內(nèi)的光纖耦合模塊大部分依賴進口，從而制約了國內(nèi)光纖激光器、全固態(tài)激光器、半導(dǎo)體激光加工業(yè)的發(fā)展。

2 我國半導(dǎo)體激光器產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

（1） 跟蹤研究能力強，原創(chuàng)成果較少。我國處在半導(dǎo)體激光器發(fā)展的初期，緊跟國際最高水平潮流，基本上國外有研究報道后，我國就跟進研究并有相關(guān)的論文發(fā)表，取得了一些的重要突破，但是原創(chuàng)性的科研成果較少。

（2） 研究速度快，產(chǎn)業(yè)化進程較慢。半導(dǎo)體激光器產(chǎn)業(yè)化是個投入大、見效慢的行業(yè)，而科研與產(chǎn)業(yè)工程化具有不同的特點，產(chǎn)學(xué)研實際結(jié)合不夠緊密，國家政策導(dǎo)向和規(guī)劃也不夠明確，因此很少有人關(guān)注工程化中的大量技術(shù)積累，導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)化進程較慢。

（3） 激光器芯片核心技術(shù)差距大。主要體現(xiàn)在量子阱材料生長技術(shù)及激光芯片制備技術(shù)與國外差距大，導(dǎo)致“空心化”現(xiàn)象，在某些方面“有器無芯”，關(guān)鍵元部件和核心知識產(chǎn)權(quán)依賴國外。

（4） 大尺寸元件加工能力強，但微光學(xué)及光柵等關(guān)鍵元件少。我國在尺寸較大的球面圓透鏡、柱透鏡方面具有較強的加工能力，國外多家光學(xué)元件供應(yīng)商也直接在國內(nèi)代工，但是，半導(dǎo)體激光光學(xué)系統(tǒng)中的快軸準(zhǔn)直鏡、慢軸準(zhǔn)直鏡陣列、勻光微透鏡陣列、VBG 及面光柵等關(guān)鍵光學(xué)元件目前完全依賴國外，國內(nèi)有相關(guān)的研究報道，沒有正式的產(chǎn)品出售。

對此，提出幾點建議：

（1） 進行大功率半導(dǎo)體激光器芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料生長及工藝制備（尤其是腔面鈍化處理）等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，解決半導(dǎo)體激光器芯片高功率下的壽命及可靠性問題，實現(xiàn)高端半導(dǎo)體激光器芯片的國產(chǎn)化；

（2） 開展微光學(xué)及光柵等關(guān)鍵光學(xué)元件的制備工藝研究，并轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，提供可實用化的微光學(xué)元件，解決激光源中光學(xué)元器件的國產(chǎn)化問題，進而實現(xiàn)大功率半導(dǎo)體激光源整體的國產(chǎn)化；

（3） 加快大功率半導(dǎo)體激光產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，緊密結(jié)合產(chǎn)學(xué)研，并注重工程化技術(shù)積累，將科研成果轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)化

3 激光光纖耦合理論

根據(jù)幾何光學(xué)的原理，若要把激光耦合進光纖并且達到較為理想的耦合效率，必須滿足一定的耦合條件，即激光光束的入射直徑應(yīng)小于光纖的芯徑，并且進入光纖中的光在傳輸過程中必須滿足全反射條件。光束質(zhì)量滿足要求后，還要設(shè)計合理的擴束和聚焦系統(tǒng)，使得聚焦光斑和發(fā)散角分別滿足光纖耦合的條件。如果入射光斑的直徑大于傳能光纖的芯徑，比芯徑大的光將直接入射到傳能光纖的包層中，造成光功率的損失和耦合效率的降低，包層材料中的光在傳輸過程中很可能會泄露到涂覆層中燒毀光纖。

與傳統(tǒng)激光的圓光斑不同，經(jīng)過光束均勻化并準(zhǔn)直聚焦后的半導(dǎo)體激光在焦點處近似為矩形光斑，而典型的光纖纖芯為圓形，矩形光斑與圓形光纖的匹配成為影響光纖耦合效率的一個關(guān)鍵因素。如果單純?yōu)榱颂岣唏詈闲?，可以增加光纖的芯徑和NA，但是這樣將使光纖輸出端的光束質(zhì)量變差，經(jīng)過傳輸后激光的功率密度降低。大功率傳能光纖的NA為0.18～0.23，隨波長的不同會略有區(qū)別，半導(dǎo)體激光用傳能光纖的NA一般為0.2。因此在半導(dǎo)體激光的光纖耦合設(shè)計時，首先考慮NA的要求，然后根據(jù)不同激光的光束質(zhì)量，得到不同的聚焦光斑尺寸，再根據(jù)聚焦光斑尺寸來選擇合適芯徑的光纖。光纖選擇時需要考慮以下幾個原則：

半導(dǎo)體激光聚焦光斑的任意一邊的長度要小于光纖直徑，否則會造成較大的功率損耗；（2）半導(dǎo)體激光聚焦光斑的對角線長度不能大于光纖直徑，否則會大大降低光功率密度；（3）要保證傳能光纖對損耗激光的承受能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性與壽命；

在保證上述條件的基礎(chǔ)上，盡量選擇小芯徑的光纖，從而保證出射激光的光功率密度。

4 光纖耦合半導(dǎo)體激光器的設(shè)計

整體設(shè)計思路在高光束質(zhì)量直接大功率半導(dǎo)體激光器技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文采用平板玻璃堆與棱鏡組合式均勻化裝置和多光束合成技術(shù)獲得了大功率半導(dǎo)體激光輸出，再經(jīng)過光學(xué)聚焦系統(tǒng)，實現(xiàn)了大功率激光的光纖耦合輸出。最后通過對激光器激光頭、光纖耦合系統(tǒng)、激光電源和冷卻系統(tǒng)等進行實時計算機集成控制，研制出工業(yè)實用型5kW光纖耦合輸出大功率半導(dǎo)體激光器，其核心的光路系統(tǒng)工藝流程如圖2所示

該耦合系統(tǒng)的設(shè)計難度較大，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

多波長：該系統(tǒng)中有多個波長，設(shè)計過程中必須考慮色差的影響；

（2）慢軸的發(fā)散角隨功率的增加和熱效率而變化，設(shè)計過程中必須考慮發(fā)散角的影響；

（3）入射光斑大，聚焦耦合前的光斑尺寸與焦距的比例較大，設(shè)計過程中的像差校正難度大；

（4）功率高，該系統(tǒng)是為5kW以上大功率激光器設(shè)計的，設(shè)計過程中必須考慮鏡片的損傷閾值、耐熱性等因素。

由于大功率半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)定性是一項至關(guān)重要的指標(biāo)，因此在聚焦鏡系統(tǒng)鏡片材料的選取上需要考慮鏡片的損傷閾值、耐熱性、熱膨脹系數(shù)等指標(biāo)。在光纖耦合聚焦鏡系統(tǒng)的設(shè)計中，由于光斑的尺寸和焦距的比例較大，球差成為影響優(yōu)化效果的重要指標(biāo)。

5 結(jié)論

本文針對國內(nèi)大功率半導(dǎo)體激光光纖耦合存在的難題，結(jié)合工業(yè)應(yīng)用需求和半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)特性，研制了5kW光纖耦合半導(dǎo)體激光器。該激光器除傳能光纖外，激光堆棧、光束均勻化裝置、光纖耦合聚焦系統(tǒng)均為自主研發(fā)，本研究推動了我國國產(chǎn)高功率光纖耦合半導(dǎo)體激光器的發(fā)展。

參考文獻

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