高亮度小芯徑半導體激光器光纖耦合設(shè)計

曹曦文，高欣，許留洋，夏曉宇，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，長春 130022）

高亮度小芯徑半導體激光器光纖耦合設(shè)計

曹曦文，高欣，許留洋，夏曉宇，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，長春 130022）

為了獲得高亮度的半導體激光器，采取6只單管半導體激光器芯片進行等光程排列，波長為940nm，芯片腔長3.5mm，發(fā)光區(qū)尺寸1μm×30μm，快軸發(fā)散角30°，慢軸發(fā)散角10°，功率為6W。設(shè)計光學系統(tǒng)，使合束光束BPPlaser＜BPPfiber，滿足與小芯徑50/125μm多模光纖進行高亮度、高效率耦合的要求。光纖輸出亮度達到44.3MW/（cm2·sr）。

半導體激光器；高亮度；小芯徑；耦合；ZEMAX

半導體激光器具備體積小、效率高、易集成等優(yōu)點，廣泛用于通訊、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域。但大功率的半導體激光器也存在一些固有缺點，如：發(fā)光區(qū)為近線性分布并存在一定的彎曲（發(fā)光區(qū)smile效應(yīng)）；激光在平行結(jié)平面方向的發(fā)散角小于垂直于結(jié)平面的發(fā)散角；慢軸方向表現(xiàn)為非穩(wěn)定多模特性等。這些缺點使激光器的光纖耦合輸出亮度下降、效率降低［1］。2015年，美國TeraDiode公司將2030W的激光耦合到芯徑為50μm的光纖中，實現(xiàn)了小芯徑光纖耦合激光器高亮度輸出，達到1468MW/cm2·sr［2］。中國科學院長春光學精密機械與物理研究所采用單管合束技術(shù)，將8只808nm的單管半導體激光器進行合束，耦合進芯徑為200μm、數(shù)值孔徑為0.22的光纖中，輸出功率為33.2W［3］。在半導體激光器所應(yīng)用的激光切割領(lǐng)域中，940nm波長激光器效果要優(yōu)于808nm激光器，并且相對于常用的1064nm波長激光器加工缺陷要小，1064nm波長激光器會在切割面產(chǎn)生毛邊［4］。本文將6只940nm波長、條寬30μm［5］的半導體激光器芯片分別在子午和弧矢方向進行準直，初始快、慢軸發(fā)散角分別為30°（快軸）和10°（慢軸）［5］。采用等光程排列的方式進行光束合束，提高了光纖耦合激光器的亮度和功率。

1 激光光纖耦合理論

根據(jù)光學原理，激光束與光纖耦合必須滿足一系列耦合條件，才能獲得較高的耦合效率。首先，激光入射光束的束腰直徑Din要小于光纖的芯徑Dcore。

其次，光線的最大入射角需要滿足光纖內(nèi)全反射的條件［6］，入射光束發(fā)散角θ/2要小于光纖的臨界角arcsin(NA)。

由此，如果將大功率的激光耦合進光纖，則入射光束的光束參數(shù)積（BPP）要小于耦合光纖的BPP。

激光光束參數(shù)積表達式為：

光纖自有的光參數(shù)積為［7］：

式中，θ為發(fā)散角，Din為光束束腰直徑，Dcore為光纖芯徑，NA為光纖數(shù)值孔徑，如圖（1）所示。

圖1 光纖耦合條件

2 多芯片半導體激光器結(jié)構(gòu)

2.1 柱透鏡準直

半導體激光器單芯片發(fā)光區(qū)尺寸1μm×30μm，快軸發(fā)散角30°，慢軸發(fā)散角10°，光參數(shù)積快軸BPPfast=0.13mm·mrad，慢軸BPPslow=1.3mm·mrad。選取兩個柱面透鏡，用來分別準直激光的快、慢軸方向。當光線經(jīng)過第一面柱透鏡時，垂直于結(jié)平面方向的光線被準直成近平行光束［8］。同理，在平行于結(jié)平面方向，由于第一面柱透鏡在慢軸方向上并沒有曲率，所以光線經(jīng)過第一面柱透鏡相當于透射過玻璃介質(zhì)，當光線通過第二面柱透鏡后，慢軸方向的光線被準直為近平行光束。芯片快軸方向發(fā)散角大，為提高準直效果，選取折射率較大的透鏡材料N-LAF21，折射率n=1.788，透鏡焦距f的計算方法：

式中，θ為準直前的發(fā)散角，θ′為準直后的發(fā)散角，W芯片發(fā)光尺寸，W′為準直后的光斑尺寸。

準直透鏡的設(shè)計要考慮后來的聚焦條件，準直后的近平行光束聚焦后要在快軸與慢軸方向同時交于一點（耦合光斑），合束后快軸光斑尺寸約等于慢軸的光斑尺寸。經(jīng)計算，取焦距f=0.7mm，ZEMAX優(yōu)化后得出最佳厚度d=0.4mm。慢軸方向選取普通透鏡材料BK7，折射率n=1.51，焦距為10mm，厚度為1.5mm，如圖（2）所示。

圖2 準直及光斑

2.2 多芯片光源光束合束與會聚耦合

單芯片光斑半徑半高度經(jīng)快軸準直為0.2mm，經(jīng)過慢軸準直得到0.8mm。為提高光纖耦合輸出功率與亮度，合束結(jié)構(gòu)采用空間合束和偏振合束兩種方式進行。首先，采用3只以上規(guī)格的芯片準直后光束疊加，高度0.5mm，進行激光空間合束，水平方向間距3mm。為達到更好的聚焦效果，設(shè)置光軸間距3mm，使光源到聚焦鏡的距離為等光程。非等光程會對慢軸發(fā)散角有一定影響，以至于影響到光斑尺寸。經(jīng)過反射鏡疊加后的光斑高度Wy=0.75mm，而慢軸方向光斑尺寸基本保持不變，測得Wx= 0.85mm。準直后，光參數(shù)積BPPfast=0.136mm·mrad，BPPslow=1.32mm·mrad，合束后BPPfast=0.51mm· mrad，BPPslow=1.32mm·mrad。之后，在偏振合束下設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖（3）所示，最終不改變光斑尺寸，而輸出功率和亮度提高一倍。由于本文的系統(tǒng)要滿足小芯徑50μm光纖的耦合［9］，準直后的慢軸發(fā)散角壓縮至1.4mrad，以至于光斑對比圖沒有一般的耦合系統(tǒng)明顯。圖（4）是光纖出射端50mm后的光斑對比圖，探測器半徑為5mm?？梢?，等光程系統(tǒng)模擬光斑直徑在5mm之內(nèi)，非等光程系統(tǒng)光斑直徑超出5mm。

圖3 高亮度光纖耦合半導體激光器

圖4 光纖50mm后耦合光斑對比圖

聚焦耦合采用非球面透鏡，選取鏡片材料為N-LAF21，焦距計算滿足：

其中，h為光斑尺寸，θ為光束發(fā)散角，θmax為光纖（規(guī)格：NA=0.22）可接受的最大入射角12.5°，d為光纖芯徑。經(jīng)計算，取焦距f=9.45mm，透鏡厚度d=1.45mm，優(yōu)化得出聚焦鏡非球面度為-0.69。模擬會聚光斑直徑為38.5μm，出射光束發(fā)散角為6.55°，光纖出射光束NA=0.114。

3 輸出亮度

半導體激光器光纖耦合的輸出亮度為：

式中，D為光纖纖芯直徑50μm，P為輸出功率。耦合過程中，偏振合束損失少量能量，也存在透鏡損失、光纖損失等現(xiàn)象［10］。使用偏振光線追記，測得輸出功率35.5W，耦合效率為98.6%，如圖（5）所示。計算得出設(shè)計的半導體激光器光纖耦合輸出亮度為44.3MW/（cm2·sr）。

圖5 角度與光斑照度圖

4 結(jié)論

本文采用ZEMAX模擬了基于30μm條寬、功率6W的940nm波長激光器芯片的高亮度光纖耦合激光器，分別采用空間合束和偏振合束方法進行聚焦耦合，使光纖耦合輸出的光束亮度達到44.3MW/（cm2·sr）。

［1］陳赫男，鄒永剛，徐莉，等.高功率單管半導體激光器光纖耦合技術(shù)［J］.長春理工大學學報：自然科學版，2014，37（1）：6-9.

［2］Unger A，Brand T，Bull S，et al.The BRIDLE project：High brilliance diode lasers for industrial application［C］.High Power Diode Lasers and Systems Conference，2013：28-29

［3］郝明明，朱洪波，秦莉，等.百瓦級高亮度光纖耦合半導體激光模塊的研制［J］.發(fā)光學報，2012，33（6）：651-659.

［4］劉濤.940nm半導體激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與芯片制備［D］.北京：北京工業(yè)大學，2014.

［5］Crump P，Hasler K H，Wenzel H，et al.High efficiency，8Wnarrow-stripebroad-arealaserswith in-plane beam-parameter-product below 2mm mrad［C］.Lasers and Electro-Optics，IEEE，2013：1-1.

［6］張勇，楊瑞霞，安振峰，等.腔長對高功率單管半導體激光器性能的影響［J］.半導體技術(shù)，2013，38（12）：914-918.

［7］劉友強，曹銀花，李景，等.激光加工用5kW光纖耦合半導體激光器［J］.光學精密工程，2015，23（5）：1279-1287.

［8］陳國，趙長明，紀榮祎，等.基于ZEMAX的半導體激光準直仿真設(shè)計［J］.激光技術(shù)，2012，36（3）：318-321.

［9］曹曦文.小芯徑（50μm）高亮度半導體激光器的光纖耦合設(shè)計［D］.長春：長春理工大學，2017.

［10］杜洋，高欣，許留洋，等.基于mini-bar的千瓦級光纖耦合模塊［J］.發(fā)光學報，2014，33（11）：1359-1364.

Design on High-brightness Semiconductor Lasers with Little Small Fiber Output

CAO Xiwen，GAO Xin，XU Liuyang，XIA Xiaoyu，QIAO Zhongliang，WANG Xiantao，BO Baoxue
（State Key Laboratory of High Power Semiconductor Laser，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

To obtain high brightness semiconductor lasers with fiber coupling output，take 6 single-emitter laser diodes with λ=940nm，cavity length 3.5mm，emitter size of 1μm×30μm，fast axis divergence angle of 30°，slow axis divergence angle of 10°and laser power of 6W，are assembled，based on equal optical path design.Designing optical system，make simulation on high brightness semiconductor lasers with 50/125μm multimode fiber output has been achieved according to fiber coupling rule ofBPPlaser＜BPPfiber，the laser brightness of fiber output can be 44.3MW/（cm2·sr）.

semiconductor laser；high-brightness；small core；coupling；ZEMAX

TP394.1；TH691.9

A

1672-9870（2017）01-0007-03

2016-09-05

國家自然科學基金（61176048，61177019，61308051）；吉林省科技發(fā)展計劃（20150203007GX，20130206016GX）；中物院高能激光重點實驗室基金（2014HEL01）資助項目

曹曦文（1991-），女，碩士研究生，E-mail：1490117740@qq.com

薄報學（1964-），男，研究員，博士生導師，E-mail：bbx@.cust.edu.cn