基于多波長合束技術(shù)的光纖耦合模塊設(shè)計

劉力寧，高欣，張曉磊，徐雨萌，薄報學(xué)

（長春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國家重點實驗室，長春 130022）

單芯片半導(dǎo)體激光器有著體積小、使用壽命長、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，但有著輸出功率小且光束質(zhì)量較差等缺點，所以在工業(yè)生產(chǎn)上直接應(yīng)用受到限制。通過光束整形可以改善激光器光束質(zhì)量，應(yīng)用合束手段可以有效提高耦合模塊的輸出功率[1］。通常的合束方法有空間合束、偏振合束、波長合束。中國工程物理研究院于2016年實驗室內(nèi)獲得16支功率16W的雙管半導(dǎo)體激光器耦合進入105μm/NA0.15的光纖，獲得154W功率輸出，亮度為25MW/cm2-str，耦合效率約60.16%[2］。美國2015年Tera Diode公司成實現(xiàn)50μm小心徑光纖輸出功率達到2030W耦合模塊[3］。北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院2015年實現(xiàn)國內(nèi)第一臺5000W輸出功率光纖耦合系統(tǒng)[4］。本文應(yīng)用多波長半導(dǎo)體激光器，通過空間合束和波長合束方法設(shè)計出高功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊。通過機械軟件和熱分析軟件優(yōu)化分析熱沉結(jié)構(gòu)，最終得到大功率、高亮度輸出且具有良好散熱性能的耦合模塊結(jié)構(gòu)。

1 光學(xué)設(shè)計

光束參數(shù)乘積[5］Beam Parameter Product（BPP）是一種被廣泛應(yīng)用的評估光束品質(zhì)好壞的辦法。定義BPP為光斑半徑（ω）與發(fā)散半角（θ）的乘積：

本文選用100μm/0.22的光纖進行設(shè)計即2ω=100μm，2θ=12.7°，所以 BPPFiber=11.11mm·mrad。經(jīng)過光斑空間排布后光斑組合成矩形，并且保持遠場輸出不變形。由圖1所示，光纖其內(nèi)徑和NA都為軸對稱型，所以合束后輸出光斑在經(jīng)過聚焦系統(tǒng)后聚焦光斑的直徑和發(fā)散角需要滿足：

綜上所述，聚焦前后快軸的BPPf和慢軸的BPPs需滿足：

BPPf，s分別為激光二極管快慢軸的光參數(shù)積。

圖1 光束參數(shù)積示意圖

單芯片半導(dǎo)體激光器發(fā)光區(qū)域縱向（快軸）接近衍射極限，橫向（慢軸）在90μm～200μm之間，腔長在1mm至4mm不等。激光器橫向發(fā)光角度能夠達到15°～35°，縱向的光束發(fā)散一般為6°～15°，光束質(zhì)量較差。通常使用微光學(xué)透鏡對其進行整形提高光束質(zhì)量。本文選用3組輸出功率為12W，波長分別為915nm、940nm、976nm的半導(dǎo)體激光器，其發(fā)散角為30°（快軸）×8°（慢軸），有源區(qū)面積為1μm（快軸）×90μm（慢軸），腔長4000μm。選用LIMO公司的FAC-300型快軸準直透鏡[6，7］，其焦距EFLFAC=0.3mm，非球面系數(shù)-0.503，面型為橢圓，選用柱面鏡作為慢軸準直鏡，焦距EFLSAC=20mm。因為快軸準直鏡裝調(diào)會產(chǎn)生±0.5mrad的指向誤差，所以設(shè)計時要計算在內(nèi)。雖然使用不同波長的激光器，但由于不同波長光在透鏡中折射率相近，所以以976nm激光器為例進行光束整形設(shè)計。表1為準直前后光束質(zhì)量對比，圖2（a）為光束準直結(jié)構(gòu)圖，（b）（c）分別為準直后輸出遠場光斑圖。

表1 準直前后的半導(dǎo)體激光器的光束參數(shù)對比

圖2 激光準直及光斑

空間合束通過階梯結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，考慮準直后光斑尺寸和實際機械加工誤差，確定臺階高度差為0.4mm，相鄰兩單邊發(fā)射激光器距離為7mm。波長合束技術(shù)即利用波長耦合器將不同波長激光器發(fā)出的光合束在一條光路中，從而有效的增大光束輸出功率。實現(xiàn)波長合束通常使用濾波鏡法或者鍍膜鏡片法。本文使用鍍膜鏡片法，在鏡片A鍍多層膜使976nm波長光束以45°入射到鏡片時實現(xiàn)高透射，940nm波長光束實現(xiàn)高反射。同理在鏡片B上鍍膜以實現(xiàn)976nm波長和940nm波長光束以45°入射時實現(xiàn)高透射，915nm波長光束45°入射實現(xiàn)高反射，最終實現(xiàn)多波長光束合束成一束光，獲得大功率輸出光束。表2為空間合束前后光參數(shù)，圖3（a）為通過ZEMAX軟件設(shè)計的光路結(jié)構(gòu)，圖3（b）疊加后光斑圖。

表2 疊加前后的半導(dǎo)體激光器的光束參數(shù)對比

圖3 光學(xué)設(shè)計光路圖及疊加光斑

光束準直后依舊有很小的光發(fā)散角，所以光在傳播過程中會發(fā)散，慢軸方向存在5mard發(fā)散角，所以光路中第1支激光器相比第8支激光器會有光束擴散0.2mm，導(dǎo)致慢軸BPP達到3.8mm·mrad，依舊滿足耦合要求。光束聚焦時容易產(chǎn)生像差，導(dǎo)致聚焦光斑會遠遠大于理想聚焦光斑，從而不能全部進入光纖。所以本文選用具有良好消像差能力的非球面聚焦透鏡。合束后光斑形狀近似為矩形，聚焦系統(tǒng)不改變光斑形狀，只縮小光斑尺寸。通過聚焦系統(tǒng)后光斑尺寸小于光纖的直徑，聚焦光斑最大發(fā)散角要小于光纖的接收入射光的入射角度。光通過光纖后，光纖對其有均化作用[8］。圖4（a）為聚焦后光斑，圖4（b）為光纖輸出后200mm光斑。

圖4 聚焦光斑及光纖輸出光斑

聚焦透鏡焦距應(yīng)滿足公式（4）：

其中，F(xiàn)為聚焦透鏡組焦距；ω為光斑半尺寸；θ為光束發(fā)散角；D為光纖芯徑；NA為光纖數(shù)值孔徑。所以由此可知聚焦焦距為6.84mm≤F≤18.77mm。光在光纖中進行全反射，設(shè)計聚焦系統(tǒng)時盡可能減小入射角度有利于光束能量集中，所以本文應(yīng)用焦距為18mm，CC=-0.546的長焦距聚集透鏡。聚焦后光束NA=0.12，輸出功率達284.5W，光纖耦合效率達到98.7%。本文采用多波長合束技術(shù)進行光纖耦合設(shè)計，模塊光譜亮度小于單波長光束耦合模塊，但通過多波長合束方法有效地增加了模塊輸出功率，從而提高輸出光斑光功率密度。由光功率密度公式：

計算得到耦合模塊光功率密度達115.3MW/cm2-str。

2 熱沉結(jié)構(gòu)優(yōu)化

溫度過高直接導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器使用效果不佳，會出現(xiàn)紅移、功率降低等問題[9］。半導(dǎo)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[10］。所以有效的保證散熱是耦合模塊設(shè)計的要求之一。Cu的導(dǎo)熱性能良好且成本不高，是做熱沉的優(yōu)先選擇。本文應(yīng)用Cu做熱沉，用AlN做過度熱沉。結(jié)合機械軟件設(shè)計階梯式熱沉模型。在不影響光路前提下優(yōu)化過度熱沉結(jié)構(gòu)，使耦合模塊在散熱效果更好。優(yōu)化設(shè)計熱沉AlN距離Cu熱沉邊緣0.5mm，在熱沉溫度298k和每支單管連續(xù)輸出12W條件下，結(jié)構(gòu)優(yōu)化前模塊最高結(jié)溫329.73K。優(yōu)化后模塊最高結(jié)溫降低為328.71K，相比優(yōu)化前溫度降低1°，達到優(yōu)化效果。模塊最高溫度與最低溫度差為1.2K。優(yōu)化后模塊熱阻為1.46K/W。圖5（a）、圖5（b）為優(yōu)化前后散熱結(jié)構(gòu)模型，（c）、（d）為優(yōu)化前后熱分析結(jié)果。圖6為耦合模塊3D圖。

圖5 優(yōu)化熱沉結(jié)構(gòu)及熱分析結(jié)構(gòu)

圖6 耦合模塊3D圖

3 結(jié)論

本文應(yīng)用ZEMAX、Solidworks、ANSYS軟件仿真模擬設(shè)計了多波長合束光纖耦合模塊。將3組波長分別為915nm、940nm、976nm的3組激光器耦合進直徑100μm、數(shù)值孔徑0.2的光纖中，最終實現(xiàn)模塊耦合輸出功率為284.5W，耦合效率達到98.7%，光功率密度達到115.3MW/cm2-str。通過機械軟件優(yōu)化得到新熱沉結(jié)構(gòu)，比較優(yōu)化前后熱沉結(jié)果熱分析結(jié)果，表明模塊優(yōu)化后比優(yōu)化前結(jié)溫降低1℃以上，得到良好散熱結(jié)構(gòu)模型。

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