基于808nm百瓦級高亮度半導(dǎo)體激光器單管合束模塊

張志軍

摘要：半導(dǎo)體激光器單管emitter結(jié)構(gòu)具有工作電流低，轉(zhuǎn)換效率高；體積小；壽命長；易于集成等特點(diǎn)。但是，由于半導(dǎo)體激光器emitter結(jié)構(gòu)的功率比較低，通常又不能滿足高亮度的需求，所以我們采用emitter結(jié)構(gòu)單管合束技術(shù)，將18只功率為8.5W條寬200微米基于emitter結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行合束，并耦合進(jìn)芯徑為200um、NA0.22的光纖，光纖輸出功率為102.4W，獲得的耦合效率超過85%，電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到35.4%，亮度達(dá)到2.18MW/cm2sr。模塊中每個(gè)半導(dǎo)體激光器單管采用串聯(lián)的電連接方式以減小激勵(lì)電流，只需簡單風(fēng)扇制冷就可以達(dá)到百瓦級散熱的目的。制作的單管合束模塊適于更惡劣的環(huán)境如軍事機(jī)載、航天航空等特殊行業(yè)中使用。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光器；單管合束；高亮度；光纖耦合

1 引言

本文將基于808nm emitter[1-2]結(jié)構(gòu)的單管采用空間合束和偏振合束組合的方法，克服cm-bar光纖耦合的缺點(diǎn)，同時(shí)保持了單管光纖耦合亮度高的優(yōu)點(diǎn)。采用階梯排列的空間合束方法，使emitter的各個(gè)發(fā)光點(diǎn)出現(xiàn)的指向誤差降低，提高亮度，光纖耦合后，在光纖芯徑為200μm，數(shù)值孔徑NA為0.22時(shí)，實(shí)現(xiàn)102.4W，亮度達(dá)到2.18MW/cm2sr，耦合效率大于85%。

2設(shè)計(jì)原理

在實(shí)驗(yàn)中我們采用兩組階梯排列結(jié)構(gòu)進(jìn)行單管空間合束，將N個(gè)單管半導(dǎo)體激光器安裝固定在一個(gè)階梯型的熱沉上，使它們發(fā)出的光束在快軸方向疊加進(jìn)行空間合束。這種方法結(jié)構(gòu)簡單，所用光學(xué)元件少，調(diào)試方便，有利于獲得高的耦合效率和亮度。然后我們將兩組階梯排列的激光器進(jìn)行偏振合束，合束后輸出功率提高近一倍，光斑亮度增加近一倍?？燧S準(zhǔn)直后的LD1至LDN的發(fā)出光束在z軸上形成了一組快軸方向空間疊加的光束[3]，然后用快慢軸分別聚焦鏡對疊加后的光束進(jìn)行聚焦，使光束在光纖端面聚焦進(jìn)而耦合進(jìn)光纖，聚焦光斑。

3 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比分析

對于大功率半導(dǎo)體激光器通常使用光參數(shù)積（Beam Parameter Product，BPP）來衡量半導(dǎo)體光束質(zhì)量的好壞，光參數(shù)積和亮度的定義為[4]：

光參數(shù)積 （1）

亮度 （2）

其中ω0為光斑束腰半徑，θ0為遠(yuǎn)場發(fā)散角，P為輸出功率。

本文設(shè)計(jì)的合束模塊是在保持單管光束質(zhì)量不變的情況下，通過采用空間合束和偏振合束組合技術(shù)提高輸出功率，以達(dá)到提高系統(tǒng)亮度的目的，是目前提高激光束亮度的主要方法。

光纖耦合后，半導(dǎo)體激光系統(tǒng)能夠獲得的最大亮度[5-7]可以表示為

（3）

其中，B為初始亮度，ηFAC表示快軸準(zhǔn)直微透鏡的準(zhǔn)直效率，ηPL表示光學(xué)元件透過效率，ηstQ為系統(tǒng)總的快軸發(fā)散角與單元快軸發(fā)散角比值，ηFF為快軸、慢軸方向的總的填充因子，Kp表示偏振合束對系統(tǒng)亮度的增加量。

對于一根給定的光纖，能夠耦合進(jìn)光纖的最多單管數(shù)目可以由光纖的光參數(shù)積與準(zhǔn)直后單管的光參數(shù)積的比值確定，計(jì)算方法如下[16]：

（4）

（5）

其中，NFA和NSA表示的是快軸和慢軸方向可以耦合進(jìn)的單管數(shù)目，Df和θf分別是光纖芯徑和全發(fā)散角，ωFA、ωSA和θFA、θSA分別是快軸、慢軸方向的準(zhǔn)直光束的束腰半徑和發(fā)散角，γSA和γFA為快軸、慢軸方向的填充因子。由此可見，要想將盡量多的單管激光器耦合進(jìn)指定芯徑的光纖，可以通過對半導(dǎo)體激光光束進(jìn)行準(zhǔn)直，提高光束質(zhì)量，增大兩方向的填充因子實(shí)現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)中采用波長為808nm，工作電流9.5A時(shí)，工作電壓為1.9V，輸出功率達(dá)到8.5W的單管半導(dǎo)體激光器，快軸方向發(fā)散角為60°，慢軸方向發(fā)散角為10°。半導(dǎo)體激光器的快軸方向發(fā)光寬為1μm，慢軸方向條寬為200μm?？燧S采用ingerenic公司的FAC-090經(jīng)zemax模擬后，發(fā)散角可以達(dá)到1.2mrad，但是由于加工精度以及裝調(diào)等因素發(fā)散角可以達(dá)到2.5mrad，慢軸我們采用自行設(shè)計(jì)的F20mm微柱透鏡， 經(jīng)zemax模擬后，發(fā)散角可以達(dá)到5mrad。

以階梯方式把單管光源方便的堆放在快軸方向上，維持了二極管激光器的亮度。每個(gè)二極管激光器都平行于快慢軸鏡片，得到了精準(zhǔn)的指向性和優(yōu)異的填充因子。每一個(gè)發(fā)光源前有快軸準(zhǔn)直鏡 （FAC）和慢軸準(zhǔn)直鏡（SAC），每個(gè)單管光源被安排在相關(guān)的光學(xué)元件前面以減少相鄰發(fā)光單元之間死角，最大限度地發(fā)揮二極管亮度。

經(jīng)分析，差別的主要原因是加工精度以及快軸方向裝調(diào)誤差及模擬時(shí)的探測器距離和實(shí)際我們觀測得的光斑位置不同造成的。

為了提高亮度，再結(jié)合偏振棱鏡PBS來增加系統(tǒng)的亮度近一倍。實(shí)驗(yàn)中使用的808nm半導(dǎo)體激光器均為TE模式，即磁場矢量振動(dòng)方向垂直于p-n結(jié)平面，為p偏振光。通過半波片將其中一組中的9只激光器的偏振態(tài)改變?yōu)閟偏振。然后經(jīng)過PBS棱鏡時(shí)，P偏振光透過，透過率>95%，S偏振光反射，反射率>99%，兩路入射光束在PBS的偏振合束膜上同等面積下功率加倍，所以理論上偏振合束后光束質(zhì)量不變。

雖然偏振合束后的快軸和慢軸方向光束質(zhì)量接近，但是此時(shí)快軸發(fā)散角為2.5mrad，慢軸發(fā)散角為7mrad，慢軸發(fā)散角近似于快軸的2.8倍，因此需要設(shè)計(jì)一套擴(kuò)束系統(tǒng)，我們在這里采用了一套2.8倍的伽利略望遠(yuǎn)柱面擴(kuò)束系統(tǒng)，由一個(gè)凹柱面鏡和一個(gè)凸柱面鏡組成，面型分別為平凹和平凸面型。r1=20.1mm，r2=58.3mm，將慢軸光束進(jìn)行擴(kuò)束，使得快慢軸發(fā)散角相等，采用焦距為45mm三片透鏡組聚焦透鏡有效的將近似為平行光束耦合進(jìn)入芯徑200um，數(shù)值孔徑0.22的光纖。

經(jīng)過精密調(diào)試，我們最終將18只emitter半導(dǎo)體激光器合束并耦合進(jìn)光纖，實(shí)現(xiàn)了光纖耦合輸出，光纖芯徑200um，數(shù)值孔徑0.22。。

對比模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

1、造成模擬準(zhǔn)值的發(fā)散角與實(shí)際準(zhǔn)直的發(fā)散角差別的主要原因是：

1） 快軸方向是指向性裝調(diào)誤差造成的。

2） 慢軸方向是由于慢軸發(fā)散角隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而增大造成的。

2、造成模擬的整個(gè)系統(tǒng)的光-光轉(zhuǎn)換效率約為90%，與實(shí)際整個(gè)系統(tǒng)的光-光轉(zhuǎn)換效率約為85%，差別的主要原因是：

1） 在空間合束處存在漏光現(xiàn)象，造成能量損失；

2） 偏振合束，半導(dǎo)體激光器本身輸出光束的偏振度為98%，偏振棱鏡的偏振膜透射和反射也不完全，造成能量損失；

3） 光學(xué)面的反射或散射損失；

4） 耦合時(shí)，光纖的位置和角度要求非?？量?，實(shí)驗(yàn)時(shí)光纖相對于焦點(diǎn)位置有一定的偏移，相對于光軸有一定傾斜所以會(huì)導(dǎo)致耦合效率下降；

5） 實(shí)際的光纖是彎曲的，會(huì)使光在光纖里面?zhèn)鬏敃r(shí)有彎曲損耗。

4 總結(jié)

采用單管合束技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多只激光器集成，多路半導(dǎo)體激光合束并耦合進(jìn)光纖，模塊中所有半導(dǎo)體激光器采用串聯(lián)方式，在9.5A電流激勵(lì)下，將18只功率為8.5W條寬200微米基于emitter結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行合束，通過芯徑200um、NA0.22的光纖輸出功率102.4W，耦合效率達(dá)85%，目前正在解決快軸光束質(zhì)量偏差的問題，以使快軸光束質(zhì)量接近設(shè)計(jì)值，通過更好的校正快軸準(zhǔn)直鏡裝調(diào)誤差，快軸方向的光束質(zhì)量最多可以提高1.5倍。則快軸空間上可以再增加3-5層，仍可以高效耦合進(jìn)200μm光纖，進(jìn)一步提高亮度。

參考文獻(xiàn)：

[1] ISO/DIS-Standard 11146， International Organization for Standardization.

[2] 彭航宇， 顧媛媛， 朱洪波 等. 大功率半導(dǎo)體激光光源光束整形技術(shù)研究[J]. 中國激光，2011， 38（2）： 0202010-1～0202010-6

[3] 朱洪波，郝明明，彭航宇等，基于808nm半導(dǎo)體激光器單管合束技術(shù)的光纖耦合模塊[J]中國激光，2012， 39（5）： 0502001-5

[4]胡黎明.近紅外大功率半導(dǎo)體激光治療儀及其應(yīng)用研究 [D].長春：中科院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，2011