基于單發(fā)光區(qū)芯片的大功率光纖耦合激光器的輸出遠(yuǎn)場(chǎng)特征分析

夏曉宇，高 欣，許留洋，曹曦文，喬忠良，王憲濤，薄報(bào)學(xué)

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

基于單發(fā)光區(qū)芯片的大功率光纖耦合激光器的輸出遠(yuǎn)場(chǎng)特征分析

夏曉宇，高 欣，許留洋，曹曦文，喬忠良，王憲濤，薄報(bào)學(xué)?

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

為研究光纖耦合激光器的輸出遠(yuǎn)場(chǎng)特征，基于ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，模擬了基于單發(fā)光區(qū)激光器芯片的多種光纖耦合結(jié)構(gòu)，分析了不同耦合結(jié)構(gòu)的輸出遠(yuǎn)場(chǎng)特征。模擬結(jié)果表明:單管耦合輸出遠(yuǎn)場(chǎng)分布通常為中間亮、邊緣暗的圓形光斑。當(dāng)準(zhǔn)直后的光束快慢軸光束尺寸基本一致時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)輸出光斑均勻性會(huì)得到極大改善；當(dāng)存在光纖軸心角向誤差(大于1°)時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)輸出光斑的均勻性會(huì)明顯降低。多單管耦合時(shí)，單管之間的臺(tái)階高度若大于準(zhǔn)直后的快軸光斑尺寸，則對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)場(chǎng)輸出為有暗區(qū)的同心圓環(huán)，單管的數(shù)量對(duì)應(yīng)圓環(huán)的數(shù)量。為了提高輸出遠(yuǎn)場(chǎng)分布的均勻度，應(yīng)嚴(yán)格控制合束單管之間的臺(tái)階高度。

單發(fā)光區(qū)激光器；ZEMAX；光纖耦合；遠(yuǎn)場(chǎng)特性

1 引 言

近年來(lái)，大功率半導(dǎo)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(yīng)用等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。與激光bar條和疊陣相比，單管半導(dǎo)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(yōu)點(diǎn)[2]，但是其輸出功率低，不能滿足大功率激光輸出的應(yīng)用要求，所以需要將多個(gè)單管激光器的輸出光束耦合進(jìn)光纖中以提高輸出功率[3]。光纖耦合作為大功率半導(dǎo)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?shù)葍?yōu)點(diǎn)，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(yīng)用[4]。

在光纖耦合設(shè)計(jì)中，通常希望耦合后輸出光束的能量均勻地集中于一個(gè)圓形區(qū)域中，也就是輸出一個(gè)均勻的圓形光斑[5-6]，但在實(shí)際的耦合過(guò)程中，耦合光源的數(shù)量、合束光束之間的間隔、軸向分布等多種因素都會(huì)影響耦合輸出光束的能量分布。本文利用ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件[7-9]對(duì)不同的單發(fā)光區(qū)半導(dǎo)體激光器陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行高亮度光纖耦合設(shè)計(jì)，并分析其輸出遠(yuǎn)場(chǎng)特征，研究了各種因素對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)分布的影響。

2 基于單發(fā)光區(qū)半導(dǎo)體激光器的光纖耦合原理

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

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

由此看出，半導(dǎo)體激光器快慢軸光束質(zhì)量相差很多，快軸BPP遠(yuǎn)小于慢軸BPP。為實(shí)現(xiàn)高功率激光光纖耦合，可在快軸方向進(jìn)行光束疊加[11]，在近平衡快慢軸光束質(zhì)量的前提下獲得數(shù)倍于單元激光器功率的高亮度光纖耦合輸出。基于半導(dǎo)體單發(fā)光區(qū)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(duì)單發(fā)光區(qū)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行合束及光纖耦合設(shè)計(jì)。

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

寬條形的半導(dǎo)體激光器快軸方向的發(fā)散角較大，不能直接用于合束或光纖耦合。我們首先對(duì)快軸光束進(jìn)行準(zhǔn)直。準(zhǔn)直鏡采用非球面柱透鏡，有效焦距為0.45 mm。準(zhǔn)直后的快軸發(fā)散半角為1.05 mrad，光斑半高度為0.22 mm。我們對(duì)慢軸光束也進(jìn)行了準(zhǔn)直設(shè)計(jì)。由于慢軸的發(fā)散角較小且BPP較大，所以采用球面柱透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直，有效焦距為6.5 mm。準(zhǔn)直后的慢軸方向發(fā)散半角為7.875 mrad，光斑半高度為0.58 mm。圖1為基于單發(fā)光區(qū)半導(dǎo)體激光器的階梯反射鏡合束光纖耦合典型結(jié)構(gòu)。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(tái)階高度排列。準(zhǔn)直后的光束經(jīng)過(guò)階梯面反射鏡，在快軸方向上疊加實(shí)現(xiàn)空間合束，再由聚焦透鏡會(huì)聚并耦合進(jìn)光纖中。

3 單發(fā)光區(qū)半導(dǎo)體激光器光纖耦合的輸出遠(yuǎn)場(chǎng)特征

3.1 單管耦合的輸出遠(yuǎn)場(chǎng)特征

利用ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對(duì)單管半導(dǎo)體激光器進(jìn)行光纖耦合設(shè)計(jì)。在常規(guī)情況下，其輸出遠(yuǎn)場(chǎng)分布級(jí)照度曲線如圖2(a)所示。光纖對(duì)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(dǎo)體激光器的光纖耦合遠(yuǎn)場(chǎng)輸出為圓斑。因?yàn)榫劢构獍吣芰肯蛑行臅?huì)聚，導(dǎo)致圓斑中心較亮，邊緣較暗，對(duì)應(yīng)的照度分布曲線的中間部分照度值較大。在常規(guī)情況下，單光源準(zhǔn)直后的快軸尺寸遠(yuǎn)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(kuò)大6倍，再將光束耦合進(jìn)光纖中，得到的遠(yuǎn)場(chǎng)分布如圖2(b)所示?？梢钥闯?，使快慢軸光斑尺寸平衡可使耦合輸出的遠(yuǎn)場(chǎng)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(yuǎn)場(chǎng)分布。(a)常規(guī)非對(duì)稱(chēng)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(shí)的耦合輸出遠(yuǎn)場(chǎng)分布Fig.3 Far field distribution of fiber coupling output while the fiber tilted

實(shí)際的耦合結(jié)構(gòu)會(huì)存在一定的光纖軸心角向偏差，即光纖軸向相對(duì)于系統(tǒng)光軸的傾斜。圖3 (a)、(b)分別是光纖在光源慢軸方向相對(duì)于系統(tǒng)中心傾斜3°和10°時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑分布圖和照度分布曲線，探測(cè)器距離光纖端面1 000 mm。相對(duì)于理想情況下的遠(yuǎn)場(chǎng)分布，此時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)分布的中心亮度范圍減小而邊緣雜散光的范圍變大，對(duì)應(yīng)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(xiàn)象就越明顯。圖3(c)、(d)分別是光纖在光源快軸方向相對(duì)于系統(tǒng)中心傾斜3°和10°時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑分布圖和照度分布曲線，探測(cè)器距離光纖端面1 000 mm。此時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)分布呈中心有暗區(qū)的圓環(huán)分布，且傾斜角越大則中心暗區(qū)越大?？梢?jiàn)，快軸方向上的光纖傾斜對(duì)耦合輸出遠(yuǎn)場(chǎng)分布特征的影響較大，在實(shí)際的耦合結(jié)構(gòu)中，需根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)的設(shè)計(jì)要求控制光纖軸心角向偏移。

3.2 多單管耦合結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)場(chǎng)特征

除了影響合束后的光束B(niǎo)PP值，合束單元之間的臺(tái)階高度差對(duì)耦合輸出遠(yuǎn)場(chǎng)特征也有明顯的影響?；趫D1所示基本結(jié)構(gòu)，我們模擬了3個(gè)單管合束，臺(tái)階高度分別為0.44，0.6，0.8 mm的遠(yuǎn)場(chǎng)分布圖，如圖4所示，上圖是遠(yuǎn)場(chǎng)光斑，下圖是相應(yīng)的分布曲線。模擬中所用聚焦鏡的焦距相同，探測(cè)器距離光纖端面的距離都為1 000 mm。

圖4 臺(tái)階高度分別為0.44(a)，0.6(b)，0.8(c)mm時(shí)的輸出遠(yuǎn)場(chǎng)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(dāng)臺(tái)階高度為0.44 mm(等于準(zhǔn)直后快軸光斑高度)時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)光斑分布為中心亮度稍高、外環(huán)亮度略有減小的同心圓環(huán)，照度均勻性較好。當(dāng)臺(tái)階高度為0.6 mm和0.8 mm(大于準(zhǔn)直后快軸光斑高度)時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)光斑分布為帶有暗區(qū)的同心圓環(huán)，亮區(qū)亮度也呈由內(nèi)向外遞減的規(guī)律。比較圖(b)和圖(c)的光斑圖可以看出，臺(tái)階高度越大則暗區(qū)范圍越大，光斑尺寸變大、發(fā)散角增加。對(duì)比3種臺(tái)階高度的照度分布曲線可以看出，臺(tái)階高度越大則照度均勻性越差。因?yàn)楹鲜Y(jié)構(gòu)是使光斑在快軸方向疊加，當(dāng)合束單元之間的臺(tái)階高度等于快軸準(zhǔn)直后的光斑高度時(shí)，合束后的光斑之間沒(méi)有空隙，聚焦鏡的作用是使合束后的光線匯聚于一點(diǎn)，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(nèi)部細(xì)節(jié)和聚焦前沒(méi)有變化，也就是不存在空隙，所以經(jīng)過(guò)光纖作用后輸出的光斑也不存在暗區(qū)；當(dāng)合束單元之間的臺(tái)階高度大于快軸準(zhǔn)直光斑高度時(shí)，合束后的光斑之間存在空隙，所以聚焦后的光斑內(nèi)部也存在空隙，經(jīng)過(guò)光纖作用后輸出的光斑就會(huì)存在暗區(qū)。

因此在實(shí)際的應(yīng)用中，若要得到輸出遠(yuǎn)場(chǎng)無(wú)暗區(qū)、照度分布均勻的光斑，需要使單管之間的臺(tái)階高度等于準(zhǔn)直后的快軸光斑高度。

為了研究合束單管數(shù)量對(duì)耦合輸出遠(yuǎn)場(chǎng)分布特性的影響，我們基于圖1所示基本結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計(jì)了單管數(shù)為2，3，4，5個(gè)的耦合結(jié)構(gòu)，各單管之間的臺(tái)階高度均設(shè)置為0.6 mm，模擬中各模塊的中心對(duì)準(zhǔn)光源中心。圖5為其輸出遠(yuǎn)場(chǎng)光斑分布圖及相應(yīng)的照度分布曲線。不同單管數(shù)量耦合時(shí)的聚焦鏡焦距相同，探測(cè)器距離光纖端面的距離都為1 000 mm。

從圖5中可以看出，當(dāng)合束單管數(shù)量為偶數(shù)時(shí)，光纖耦合輸出遠(yuǎn)場(chǎng)分布為空心的圓環(huán)，對(duì)應(yīng)的照度曲線的中間照度值為0；當(dāng)合束單管數(shù)量為奇數(shù)時(shí)，輸出遠(yuǎn)場(chǎng)分布為實(shí)心的圓環(huán)，對(duì)應(yīng)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(shù)個(gè)單元合束，則合束中心能量為0，所以光纖耦合后的輸出遠(yuǎn)場(chǎng)分布為空心圓斑，對(duì)應(yīng)的中心照度值為0；若是奇數(shù)個(gè)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(yuǎn)場(chǎng)分布為實(shí)心圓斑，對(duì)應(yīng)的中心照度值為最大。

圖5 2(a)，3(b)，4(c)，5(d)個(gè)單管耦合的遠(yuǎn)場(chǎng)分布圖。Fig.5 Far field distribution of 2(a)，3(b)，4(c)，5(d)emitters coupling.

以上結(jié)果是在光源中心和各透鏡的中心對(duì)齊情況下模擬得到的，在實(shí)際情況中，透鏡中心相對(duì)于結(jié)構(gòu)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(duì)齊但二者相對(duì)于結(jié)構(gòu)中心有位移誤差時(shí)的輸出遠(yuǎn)場(chǎng)特性，圖6(a)、(b)、(c)、(d)是在兩個(gè)單管快軸臺(tái)階高度為0.6 mm合束時(shí)，聚焦鏡中心和光纖中心同時(shí)偏移合束中心分別為0，0.1，0.2，0.3 mm時(shí)的輸出遠(yuǎn)場(chǎng)分布特性及相應(yīng)的照度分布。聚焦鏡的焦距相同，探測(cè)器距離光纖端面的距離都為1 000 mm。

從圖6輸出遠(yuǎn)場(chǎng)分布可以看出，透鏡位移誤差對(duì)輸出遠(yuǎn)場(chǎng)分布特性具有明顯的影響。在實(shí)驗(yàn)中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)透鏡的橫向位置來(lái)調(diào)節(jié)輸出遠(yuǎn)場(chǎng)分布均勻性。

圖6 透鏡存在位移誤差時(shí)的輸出遠(yuǎn)場(chǎng)分布，聚焦鏡中心和光纖中心同時(shí)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(jié) 論

本文基于單發(fā)光區(qū)芯片的半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)了不同的光纖耦合結(jié)構(gòu)，分析了各結(jié)構(gòu)的輸出遠(yuǎn)場(chǎng)分布特征。結(jié)果表明，影響光纖耦合激光器輸出遠(yuǎn)場(chǎng)分布特征的因素主要為合束單元之間的臺(tái)階高度、合束單管數(shù)量以及安裝誤差。當(dāng)準(zhǔn)直后的光束快慢軸光束尺寸基本一致時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)輸出光斑均勻性得到極大改善(90%強(qiáng)度分布空間大于95%)；當(dāng)存在光纖軸心角向誤差(大于1°)時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)輸出光斑的均勻性會(huì)明顯降低。多單管耦合時(shí)，單管之間的臺(tái)階高度若大于準(zhǔn)直后的快軸光斑尺寸，則對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)場(chǎng)輸出為有暗區(qū)的同心圓環(huán)，單管的數(shù)量對(duì)應(yīng)圓環(huán)的數(shù)量。為了提高輸出遠(yuǎn)場(chǎng)分布的均勻度，應(yīng)嚴(yán)格控制合束單管之間的臺(tái)階高度。

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

E-mail:1193406006＠qq.com

薄報(bào)學(xué)(1964－)，男，河南淇縣人，博士，教授，2002年于吉林大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事高功率半導(dǎo)體激光器技術(shù)與應(yīng)用的研究。

E-mail:bbx＠cust.edu.ccn

《發(fā)光學(xué)報(bào)》第12屆編委會(huì)紀(jì)要

2016年11月16日，《發(fā)光學(xué)報(bào)》編輯部借第十四屆全國(guó)發(fā)光學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議召開(kāi)之機(jī)，在上海舉行了第12屆編委會(huì)。本次編委會(huì)共有名譽(yù)主編范希武，主編申德振，編委王永生、江風(fēng)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(fā)光學(xué)報(bào)》常務(wù)副主編付國(guó)柱首先向各位編委匯報(bào)了編輯部最近3年的主要工作、取得的成績(jī)、存在的問(wèn)題及以后的工作設(shè)想，然后與會(huì)的各位編委就如何進(jìn)一步辦好期刊展開(kāi)了熱烈的討論。自2010年《發(fā)光學(xué)報(bào)》成為美國(guó)工程索引(EI)的源期刊以來(lái)，學(xué)術(shù)質(zhì)量和來(lái)稿量逐年提升。編委們也對(duì)學(xué)報(bào)的發(fā)展給予了大力的支持，共有20余名編委為學(xué)報(bào)撰寫(xiě)了高水平的文章，為提升學(xué)報(bào)的學(xué)術(shù)水平和影響力做出了重大貢獻(xiàn)。編委們紛紛表示，今后將一如既往地支持學(xué)報(bào)的發(fā)展，積極為學(xué)報(bào)提供并推薦高水平的文章，使學(xué)報(bào)的學(xué)術(shù)質(zhì)量和評(píng)價(jià)指標(biāo)不斷提高。

黎大兵編委提出設(shè)置責(zé)任編委的建議，號(hào)召各位編委就自身的研究領(lǐng)域幾人負(fù)責(zé)一個(gè)學(xué)科方向，不僅負(fù)責(zé)把握來(lái)稿的學(xué)術(shù)質(zhì)量，向本領(lǐng)域的專(zhuān)家約稿，而且利用自身的影響力推廣學(xué)報(bào)發(fā)表的文章，使學(xué)報(bào)的學(xué)術(shù)質(zhì)量和評(píng)價(jià)指標(biāo)得到較大幅度的提高。黎大兵編委身體力行，決定在2017年負(fù)責(zé)籌辦1期半導(dǎo)體器件方面的專(zhuān)欄，并在專(zhuān)欄發(fā)表后的幾年內(nèi)在本領(lǐng)域大力推介這些文章，使文章的關(guān)注度、影響力遠(yuǎn)超平均水平。王永生編委提出要重視手機(jī)等新媒體對(duì)期刊的宣傳作用，在期刊建設(shè)方面要有超前的眼光，在數(shù)字化和電子化方面要爭(zhēng)取走在國(guó)內(nèi)期刊的前列。

本次會(huì)議各位編委提出了許多建設(shè)性意見(jiàn)，為《發(fā)光學(xué)報(bào)》今后的發(fā)展指明了前進(jìn)的方向?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在各位編委的大力支持下，《發(fā)光學(xué)報(bào)》一定會(huì)越辦越好，學(xué)術(shù)地位和影響力不斷得到提升。

付國(guó)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(guó)家自然科學(xué)基金(61176048，61177019，61308051)；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃(20150203007GX，20160203017GX)；中物院高能激光重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(2014HEL01)資助項(xiàng)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)