光纖耦合半導體機關器的應用與研究

黃晶　張立莉

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

關鍵詞：光纖耦合；半導體激光器；金屬加工

1 引言

半導體激光器是近 50 年來發展快、成果多、科學滲透廣、應用領域寬的一種電光轉換器件。它以半導體材料作為增益介質，利用電子在能級間躍遷發光，直接以半導體晶體解離面形成的平行反射鏡構成諧振腔，在電注入下形成光振蕩、反饋、產生光的輻射放大，實現激光輸出。相較于其他激光器類型，半導體激光器具有轉換效率高、體積小、重量輕、壽命長、能直接調制及易與其他半導體器件集成等特點，小功率器件作為信息載體早已廣泛應用于光通信、光存儲和激光打印等信息領域。據 Laser Focus World 統計，2010 年至2014 年，半導體激光器收益連續占據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，半導體激光芯片結構、外延生長和器件封裝等激光技術均有了較大的發展，單元器件性能實現了重大突破，如電光轉換效率達 70% 以上、1 cm bar 激光線陣連續輸出功率超過千瓦等。隨著其大功率化的發展，無論作為直接光源還是泵浦源，半導體激光器在加工、醫療、顯示及國防等領域均顯示出巨大的應用前景。

比較國內外光纖耦合半導體激光模塊的輸出功率和光束質量可以看出，國內在半導體激光器技術方面的研究相對比較落后，因此目前國內的光纖耦合模塊大部分依賴進口，從而制約了國內光纖激光器、全固態激光器、半導體激光加工業的發展。

2 我國半導體激光器產業發展現狀

（1） 跟蹤研究能力強，原創成果較少。我國處在半導體激光器發展的初期，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的論文發表，取得了一些的重要突破，但是原創性的科研成果較少。

（2） 研究速度快，產業化進程較慢。半導體激光器產業化是個投入大、見效慢的行業，而科研與產業工程化具有不同的特點，產學研實際結合不夠緊密，國家政策導向和規劃也不夠明確，因此很少有人關注工程化中的大量技術積累，導致產業化進程較慢。

（3） 激光器芯片核心技術差距大。主要體現在量子阱材料生長技術及激光芯片制備技術與國外差距大，導致“空心化”現象，在某些方面“有器無芯”，關鍵元部件和核心知識產權依賴國外。

（4） 大尺寸元件加工能力強，但微光學及光柵等關鍵元件少。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，國外多家光學元件供應商也直接在國內代工，但是，半導體激光光學系統中的快軸準直鏡、慢軸準直鏡陣列、勻光微透鏡陣列、VBG 及面光柵等關鍵光學元件目前完全依賴國外，國內有相關的研究報道，沒有正式的產品出售。

對此，提出幾點建議：

（1） 進行大功率半導體激光器芯片結構設計、材料生長及工藝制備（尤其是腔面鈍化處理）等關鍵技術攻關，解決半導體激光器芯片高功率下的壽命及可靠性問題，實現高端半導體激光器芯片的國產化；

（2） 開展微光學及光柵等關鍵光學元件的制備工藝研究，并轉向產業化發展，提供可實用化的微光學元件，解決激光源中光學元器件的國產化問題，進而實現大功率半導體激光源整體的國產化；

（3） 加快大功率半導體激光產業化發展，緊密結合產學研，并注重工程化技術積累，將科研成果轉向產業化

3 激光光纖耦合理論

根據幾何光學的原理，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。光束質量滿足要求后，還要設計合理的擴束和聚焦系統，使得聚焦光斑和發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。

與傳統激光的圓光斑不同，經過光束均勻化并準直聚焦后的半導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鍵因素。如果單純為了提高耦合效率，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量變差，經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別，半導體激光用傳能光纖的NA一般為0.2。因此在半導體激光的光纖耦合設計時，首先考慮NA的要求，然后根據不同激光的光束質量，得到不同的聚焦光斑尺寸，再根據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的穩定性與壽命；

在保證上述條件的基礎上，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 光纖耦合半導體激光器的設計

整體設計思路在高光束質量直接大功率半導體激光器技術的基礎上，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獲得了大功率半導體激光輸出，再經過光學聚焦系統，實現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、激光電源和冷卻系統等進行實時計算機集成控制，研制出工業實用型5kW光纖耦合輸出大功率半導體激光器，其核心的光路系統工藝流程如圖2所示

該耦合系統的設計難度較大，主要體現在以下幾個方面：

多波長：該系統中有多個波長，設計過程中必須考慮色差的影響；

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

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

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

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

5 結論

本文針對國內大功率半導體激光光纖耦合存在的難題，結合工業應用需求和半導體激光器的結構特性，研制了5kW光纖耦合半導體激光器。該激光器除傳能光纖外，激光堆棧、光束均勻化裝置、光纖耦合聚焦系統均為自主研發，本研究推動了我國國產高功率光纖耦合半導體激光器的發展。

參考文獻

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