基于Mini-bar的千瓦級大功率激光器光纖耦合

顧華欣，高欣，張曉磊，徐雨萌，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）

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、軍事等領域［1-3］。由于半導體激光器自身固有結(jié)構(gòu)的限制，輸出為橢圓形光斑，其光束快軸方向上的發(fā)散角像差較大，所以存在很大的像散，光束質(zhì)量較差，快慢軸方向的能量分布也不均勻，所以通過使用光纖耦合的方法來改善、解決以上問題從而提高光束的質(zhì)量［4］。所以對半導體激光器尤其是大功率半導體激光器的光纖耦合研究具有非常重要的應用價值。

目前，在商業(yè)市場主要有三種類型的大功率激光二極管封裝芯片：cm-bar，Mini-bar和單管。其中cm-bar的發(fā)光點個數(shù)較多，每個發(fā)光單元的輸出功率低，而且cm-bar的smile效應增加了快軸準直鏡的離軸相差，使得cm-bar上的各個發(fā)光點出現(xiàn)指向誤差，大大降低了光束質(zhì)量和光纖耦合效率，進一步降低了亮度［5］。相比較cm-bar在單管的光纖耦合中，單發(fā)光點亮度更高、結(jié)構(gòu)散熱更好、更緊湊等優(yōu)點，每個單管采取分散排列結(jié)構(gòu)，提高單管激光器的亮度。對于大功率半導體激光器的研制，由于單管在準直時是分別對快軸和慢軸進行準直，這樣的方法大大增加了工作量。采用的Mini-bar光纖耦合是一種區(qū)別于cm-bar和單管的新穎方案，它是一種特殊設計的、具有較少發(fā)光點的激光二極管線陣，為了克服cm-bar存在的問題，增加發(fā)光單元之間的間距減小熱串擾，提高激光器穩(wěn)定性和壽命，腔長也增加至3.5-5mm，輸出功率也得到了提高，同時又保持了單管光纖耦合的優(yōu)點，可以得到高質(zhì)量的慢軸方向光束［3］。

針對基于Mini-bar的半導體激光光纖耦合模塊進行研究，采用36只輸出功率為80W的Mini-bar半導體激光器組成兩列空間疊陣作為耦合光源，耦合進NA0.22、芯徑300mm的目標光纖中，系統(tǒng)最終輸出功率達到2849.3W，光纖耦合效率大于98%。

1 激光光纖耦合原理

半導體激光器有源區(qū)比較薄，垂直有源區(qū)方向容易產(chǎn)生衍射效應，通常將與p-n結(jié)互相垂直的方向定義為快軸，快軸方向光束發(fā)散嚴重，通常角度能夠達到15°～35°；定義慢軸為與p-n結(jié)方向一致，慢軸方向的發(fā)散光角度一般為6°～15°。

在二極管激光光纖耦合研究中，評估激光二極管光束質(zhì)量最方便的方法是描述光束參數(shù)乘積（BPP），其定義為θ*W/4，其中θ是遠場發(fā)散角，W是光斑尺寸［5］。采用的激光光源包括3個半導體激光疊陣模塊，由36只輸出為80W的Mini-bar半導體激光器組成。采用的Mini-bar芯片具有4個發(fā)光單元，每個發(fā)光單元的發(fā)光尺寸為90mm（慢軸方向）×1.5mm（快軸方向），慢軸發(fā)散角為8°，快軸發(fā)散角為35°，發(fā)光單元周期為1mm。由光參數(shù)積的定義可以分別計算出單個Mini-bar快軸、慢軸BPP：

泵浦源的高功率和高亮度能決定光纖激光器的輸出功率，所以要求所設計的模塊同時具有很高能量輸出和亮度，通常選用輸出功率較大的半導體二極管同時耦合進較細芯徑的光纖中。選用光纖直徑300μm，數(shù)值孔徑0.22的光纖，即ω=300μm，θ=12.7°，所以光纖的BPP為：

激光的光纖耦合需要滿足以下條件：

（1）入射的光束直徑小于光纖芯徑；

（2）光束的最大入射角小于光纖數(shù)值孔徑NA［8］。

為了將準直光束高效率的耦合到光纖中，準直光束快軸和慢軸的BPP都應小于光纖BPP，由圖1可得：

聚焦前后快軸的BPPf的和慢軸的BPPs滿足BPPfiber≥BPPf+BPPs時，光纖耦合的效率較高，損失的亮度較少。由以上可以得出快、慢軸BPP應小于15.6mm·mrad。

圖1 光參數(shù)積示意圖

2 耦合設計及模擬

設計采用36只輸出功率為80W的Mini-bar芯片，首先在快軸方向上組成三列疊陣作為耦合光源，然后通過快慢軸準直鏡準直后得到發(fā)散較小的準直光束，最后通過合束、聚焦耦合進入300μm芯徑的光纖中，實現(xiàn)大功率激光的高亮度光纖耦合輸出。

2.1 Mini-bar快、慢軸準直

通常的半導體激光光束準直包括圓柱透鏡準直、非球面柱透鏡準直、二元光學等方法。二元光學結(jié)構(gòu)較為復雜，且由于半導體激光器出射光束發(fā)散角較大，對準直透鏡的準直度要求高，綜合比較選擇非球面準直柱透鏡進行快軸準直，采用柱面透鏡進行慢軸準直［9］。

首先進行快軸準直，采用有效焦距為0.67mm的非球面柱面透鏡作為快軸準直透鏡（FAC）。通過使用該快軸準直鏡（FAC）后，快軸的發(fā)散半角為1.25mrad，準直光束尺寸為0.38mm，BPP為0.24mm·mrad。慢軸準直采用的是有效焦距為6.7mm的平凸柱面微透鏡列陣進行慢軸準直（SAC），其原理是利用透鏡列陣增加每個發(fā)光單元的光束尺寸以達到較小發(fā)散角的目的。SAC后慢軸的發(fā)散半角為6.73mrad，發(fā)光尺寸為1.94mm，BPP為13.06mm·mrad?？?、慢軸準直后的光束參數(shù)見表1。

表1 準直后光束參數(shù)

從上述參數(shù)可知，單Mini-bar慢軸BPP遠遠大于快軸BPP，所以可以在快軸方向采用疊陣方法使兩軸上的BPP接近，以達到提高光纖耦合功率、亮度的目標。由上述公式（4）可知快軸最大BPP值為15.6mrad，巴條間距為1.8mm，由此可以得出快軸可疊加巴條數(shù)量為12只。圖2為一組半導體激光器疊陣通過準直系統(tǒng)后模擬光路圖及準直后的輸出光斑圖，快軸疊加后，發(fā)光半尺寸10.36mm，發(fā)散半角1.25mrad，BPP為12.95mrad，單巴條快軸方向光斑尺寸為0.48mm。

圖2 快軸疊加后光束

2.2 空間復用

如圖2（b）所示，巴條間間隔1.8mm，為了消除垂直方向上的暗區(qū)，可以利用發(fā)光點間的暗區(qū)填充兩個二極管激光器陣列的光束，幾乎可以保持光束質(zhì)量不變，采用空間復用的方法實現(xiàn)此過程的設計，基本原理如圖3所示［6］。復用三個二極管激光器陣列后的光束如圖4所示。

圖3 空間復用

圖4 垂直方向疊加

圖5給出了三列半導體激光器疊陣通過準直系統(tǒng)后的模擬光路圖。疊加后快軸發(fā)光半尺寸為10.8mm，發(fā)散半角1.25mrad，BPP為13.5mrad；慢軸發(fā)光半尺寸2mm，發(fā)散半角6.73mrad，BPP為13.47mrad。可以看出此時快、慢軸的BPP基本一致。

圖5 疊加后快慢軸光路圖

2.3 擴束系統(tǒng)

在激光切割或激光焊接等應用中，小的光斑可以獲得更高的能量密度。為了有效減小聚焦光斑，快軸和慢軸方向的光束發(fā)散角度應接近相等以減小快、慢軸方向的焦斑離散。為此，需要對合束光束慢軸方向進行擴束設計［9］。

擴束采用一個負透鏡和一個正透鏡組成的伽利略擴束系統(tǒng)（如圖6）。理論上，當激光光束擴大N倍時，其發(fā)散角也被相應的壓縮N倍。擴束前快軸發(fā)光半尺寸10.8mm，慢軸發(fā)光半尺寸2mm，為了使快、慢軸發(fā)散角接近相等，將慢軸發(fā)光半尺寸擴大5倍為10mm，發(fā)散角也相應的壓縮5倍為1.35mrad。擴束前、后光束參數(shù)如表2，擴束后輸出光斑如圖7所示。

圖6 擴束系統(tǒng)

表2 擴束前后光束參數(shù)

由表2可以看出擴束前后系統(tǒng)的光參數(shù)積稍有增加，理論上光束經(jīng)過擴束鏡后光束尺寸和發(fā)散角分別實現(xiàn)5倍的擴大、壓縮，但是由于實際的擴束系統(tǒng)存在光學像差造成BPP的少許增加。

圖7 擴束后光束

2.4 聚焦系統(tǒng)

由幾何光學可知聚焦時如果產(chǎn)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，激光光束聚焦通常有以下三種方式：垂直柱透鏡聚焦鏡組、三片式聚焦鏡組和非球面聚焦透鏡。其中垂直柱透鏡聚焦得到的光斑像差較大，三片式聚焦鏡組涉及的元件數(shù)量較多，為了簡化聚焦結(jié)構(gòu)，聚焦系統(tǒng)選擇單一的非球面聚焦透鏡，根據(jù)光纖耦合的條件要求其焦距需滿足：

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，焦距范圍為53mm～112mm，選擇焦距f=71mm非球面透鏡進行聚焦。

事實上本次設計中，在聚焦鏡前擴束鏡后的慢軸方向上插入有效焦距為1000mm的柱透鏡，因為快慢軸聚焦點有些許差距，在慢軸方向插入近平板玻璃的柱透鏡調(diào)整慢軸方向上的焦距，使快慢軸聚焦在同一點，光斑更好的耦合進光纖內(nèi)。

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300μm，P為輸出功率，NA為0.22。

聚焦后的光斑如圖8（b）所示，由圖可以看到光斑幾乎能夠完全的進入到光纖內(nèi)，耦合進光纖后得到輸出光斑如圖9，此時輸出功率為2849.3W，亮度達到耦合效率可以達到亮度可達26.51MW/（cm2·sr），耦合效率達到98.93%。作為對比，圖8（a）給出合束光束耦合進200mm光纖的聚焦光斑圖，可以達到95%的耦合效率，亮度可達57.36MW/（cm2·sr）。

圖8 聚焦光斑

圖9 光纖輸出光斑

激光器耦合總體結(jié)構(gòu)如圖10：

圖10 激光器耦合系統(tǒng)

3 結(jié)論

針對Mini-bar疊陣的光纖耦合結(jié)構(gòu)進行了研究，設計出千瓦級大功率LD光纖耦合模塊。利用ZEMAX仿真優(yōu)化模塊光學系統(tǒng)對Mini-bar疊陣進行高精度光束準直、空間復用、光束擴展、聚焦耦合將36個二極管激光器的輸出光束高效耦合到芯直徑為300μm，NA為0.22的光纖中。設計結(jié)果表明，光纖輸出功率可達2849.3W，光纖耦合效率達到98.9%，亮度為26.51MW/（cm2·sr）。該光纖耦合系統(tǒng)可應用于激光焊接、切割等許多領域。

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