基于曲面空間合束的多單管半導(dǎo)體激光光纖耦合

謝文君， 曹銀花， 許商瑞， 邱運(yùn)濤， 劉友強(qiáng)， 李 景， 張曉寧， 趙 明， 王智勇

(北京工業(yè)大學(xué) 激光工程研究院， 北京 100124)

1 引 言

半導(dǎo)體激光器具有體積小、亮度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于半導(dǎo)體激光器發(fā)散角大、光束質(zhì)量差且快慢軸方向不一致，出射功率低等缺陷，在一定程度上限制了它的應(yīng)用[1]。目前，提高功率主要采用空間合束來提高輸出功率，即將多束激光在空間位置相互疊加使光束緊密排列。半導(dǎo)體激光器空間合束時(shí)通常將光束在快軸方向進(jìn)行疊加，利用階梯熱沉或反射鏡等方式實(shí)現(xiàn)合束[1]。而光纖耦合技術(shù)能夠?qū)雽?dǎo)體激光轉(zhuǎn)化為圓形均勻分布的光場(chǎng)，并且是激光傳輸?shù)闹匾侄蝃2-4]。單管半導(dǎo)體激光器具有無“Smile”效應(yīng)、不產(chǎn)生交叉熱、不需要復(fù)雜的光束整形系統(tǒng)[5]等優(yōu)點(diǎn)，從而使單管半導(dǎo)體激光器合束靈活簡(jiǎn)單，并且可以使用更小芯徑和數(shù)值孔徑的光纖[6-7]。目前主要應(yīng)用的是非相干光束技術(shù)，包括空間合束、偏振合束和光譜合束。在該方面國(guó)內(nèi)外取得了不少研究成果。2015年美國(guó)康寧公司選用4個(gè)波長(zhǎng)為976 nm的單管半導(dǎo)體激光器進(jìn)行合束，利用在快慢軸兩個(gè)方向分別與入射光束傾斜的熔融石英平行平面板(EARS)對(duì)光束進(jìn)行重排，聚焦耦合到芯徑105 μm、NA 0.15的光纖中，得到34.7 W的輸出功率，耦合效率大于87%[8]。2016年，長(zhǎng)春理工大學(xué)陳晴等選用9個(gè)波長(zhǎng)為915 nm 的單管半導(dǎo)體激光器，聚焦擴(kuò)束后耦合進(jìn)芯徑 105 μm、NA 0.22的光纖中，得到60 W的輸出功率，耦合效率為82%[9]。2016年北京凱普林公司選用14個(gè)波長(zhǎng)為976 nm的單管半導(dǎo)體激光器，將合束后的光束耦合進(jìn)芯徑105 μm、NA 0.15的光纖中，理論耦合效率為98.4%，封裝后輸出功率100 W[10]。從上述研究現(xiàn)狀看出，多單管半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊技術(shù)相對(duì)成熟，但受傳統(tǒng)的空間排布和鏡片孔徑的影響，可排布的單管半導(dǎo)體激光器數(shù)量有限。本文針對(duì)新穎的空間排列方式進(jìn)行研究，從而使得更多的單管半導(dǎo)體激光器耦合進(jìn)入光纖。

本文利用ZEMAX軟件對(duì)34路波長(zhǎng)為975 nm、輸出功率10 W的單管半導(dǎo)體激光器進(jìn)行模擬，采用曲面空間合束和偏振合束對(duì)多單管半導(dǎo)體激光器進(jìn)行合束，然后基于合束后的光束對(duì)聚焦系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后結(jié)合實(shí)際情況，完成17只單管半導(dǎo)體光纖耦合實(shí)驗(yàn)，通過芯徑200 μm，數(shù)值孔徑0.22的光纖，獲得了功率為100.5 W的激光輸出。

2 曲面式空間合束

曲面式空間合束是將多個(gè)單管半導(dǎo)體激光器的光束在快軸方向以不同入射角度向一點(diǎn)出射，將所有光束匯聚于同一位置，使多束激光在快軸方向進(jìn)行梯度疊加，從而實(shí)現(xiàn)空間合束。合束示意圖見圖1，整個(gè)光路在快軸方向類似于以一定點(diǎn)為圓心、確定光程為半徑畫圓所得。

圖1 空間合束示意圖

曲面式空間合束相對(duì)于常規(guī)空間合束技術(shù)主要有兩點(diǎn)改進(jìn)：

(1)光束孔徑角。常規(guī)的空間合束方式受光纖NA值限制，所能密排的單管半導(dǎo)體激光器數(shù)量有限，難以實(shí)現(xiàn)更高的輸出功率。如圖2所示(紅色為曲面空間合束光線，綠色為常規(guī)空間合束光線)，對(duì)于相同數(shù)量的單管半導(dǎo)體激光器，曲面空間合束的光束在快軸方向具有角度，與常規(guī)空間合束的近似平行光相比，焦點(diǎn)的位置會(huì)向前移動(dòng)；而且快軸方向的光斑尺寸會(huì)隨傳播距離的增加而減小，聚焦后光束的角度也比較小有利于光纖耦合。因此，在相同空間范圍內(nèi)曲面空間合束方式可以排布更多單管半導(dǎo)體激光器，從而實(shí)現(xiàn)更高的輸出功率。

圖2 曲面空間合束不同傳播距離對(duì)比圖

Fig.2 Comparison of different propagation distances of curved surface spatial combination

(2)聚焦鏡通光孔徑。在使用相同口徑的聚焦鏡時(shí)，曲面空間合束比直接空間合束能容納更多的單管半導(dǎo)體激光器光源，使聚焦鏡的通光孔徑得到更加充分的利用，如圖3所示。

圖3 曲面空間合束與常規(guī)空間合束對(duì)比圖。(a)曲面空間合束；(b)常規(guī)空間合束。

Fig.3 Comparison between curved surface spatial combination and spatial combination. (a)Curved surface spatial combination. (b)Conventional spatial combination.

綜上，本文將采用曲面空間合束的方式對(duì)光束進(jìn)行排列，這種方式在相同空間范圍和鏡片口徑的條件下更具有優(yōu)勢(shì)，可以盡可能多地增加單管的排布數(shù)量，以達(dá)到更高功率的輸出。

3 光學(xué)系統(tǒng)模擬

本文采用波長(zhǎng)為975 nm的芯片，具體參數(shù)如表1所示。

表1 975 nm COS參數(shù)

從表1參數(shù)可知，快軸方向發(fā)散角較大，為了達(dá)到更好的準(zhǔn)直效果，采用非球面柱面鏡對(duì)單管進(jìn)行準(zhǔn)直。慢軸方向發(fā)散角相對(duì)較小，采用普通柱面鏡準(zhǔn)直即可。

基于芯片和模擬參數(shù)分別計(jì)算準(zhǔn)直前后快慢軸BBP值，如表2所示。

表2 單管半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直前后參數(shù)

根據(jù)以上參數(shù)在ZEMAX光源文件建模時(shí)直接對(duì)快慢軸準(zhǔn)直后的光束進(jìn)行模擬，單管快、慢軸光斑設(shè)置為0.2 mm和2 mm，發(fā)散角設(shè)置為0.172°和0.287°，并將每個(gè)單管的輸出功率設(shè)置為10 W。

設(shè)置光路為單管半導(dǎo)體激光器在快軸方向傾斜出射，光束匯聚點(diǎn)位置選擇在距離出光口100 mm處。選取角度-2.4°～2.4°作為快軸方向光束傾角區(qū)間。根據(jù)單管半導(dǎo)體激光器厚度將各光源間隔設(shè)為4.5 mm，即Z1= 4.5 mm，如圖4所示。為了增加模塊的集成化，減少模塊占用的體積，將0°位置以外的其他單管光程縮短，使單管半導(dǎo)體激光器出光口處于同一水平位置，ZEMAX建模如圖5所示。

圖4 光源間隔計(jì)算示意圖

Fig.4 Schematic diagram of light source interval calculation

圖5 反射鏡錯(cuò)位排列光源結(jié)構(gòu)

采用兩片柱面鏡分別對(duì)快慢軸光束進(jìn)行聚焦，通過優(yōu)化選用焦距為7.7 mm和9.7 mm的柱面鏡作為聚焦系統(tǒng)，34只單管半導(dǎo)體激光器組成模塊的合束光斑及耦合輸出光斑如圖6所示。該系統(tǒng)經(jīng)偏振合束后得到最大輸出功率為312.03 W，耦合效率91.76%。通過模擬結(jié)果可知該系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，可以將光束高效地耦合進(jìn)光纖。

圖6 合束光斑及光纖端面輸出光斑

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 曲線空間合束實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中采用六維調(diào)整架及自主設(shè)計(jì)夾具配合裝調(diào)，調(diào)整架及準(zhǔn)直后的單管半導(dǎo)體激光器如圖7所示。樣機(jī)測(cè)試平臺(tái)如圖8所示，單管的閾值電流為0.7 A，系統(tǒng)相應(yīng)的P-I曲線如圖9所示。由于實(shí)驗(yàn)采用的單管半導(dǎo)體芯片不滿足偏振的要求，因此未裝調(diào)偏振合束模塊。整個(gè)系統(tǒng)在10.5 A電流驅(qū)動(dòng)下，光纖耦合輸出功率100.5 W。若使用偏振合束，整個(gè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)功率倍增，預(yù)計(jì)輸出功率可以達(dá)到201 W。

圖7 六維調(diào)整架及準(zhǔn)直后單管實(shí)物圖。(a)六維調(diào)整架；(b)準(zhǔn)直后單管實(shí)物。

Fig.7 Structure of the six dimensional adjustment frame and SE module after collimation. (a)Six dimensional adjustment frame. (b)SE module after collimation.

圖8 樣機(jī)測(cè)試平臺(tái)及耦合光斑

Fig.8 Testing platform for the sample equipment and light spot after fiber coupling

圖9 系統(tǒng)的P-I曲線

4.2 實(shí)驗(yàn)誤差分析

基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行如下分析：

(1)六維調(diào)整架精度在微米量級(jí)，并且所有鏡片為手動(dòng)夾持，在單個(gè)單管半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直時(shí)，由于夾具夾持和手動(dòng)裝配精度等誤差的影響，造成光束的準(zhǔn)直效果不理想。準(zhǔn)直后的光斑在快、慢軸方向的發(fā)散角較大，光束指向性較差，而且不同單管準(zhǔn)直后發(fā)散角各不相同，在光源系統(tǒng)裝配時(shí)各個(gè)光源不能保證很好的一致性。

(2)光纖的兩個(gè)端面沒有鍍?cè)鐾改ぃ?dāng)光束經(jīng)過端面時(shí)會(huì)產(chǎn)生菲涅爾反射，通常光束每經(jīng)過一個(gè)面大概會(huì)損失掉 4% 的能量。

(3)在光纖耦合模塊裝調(diào)時(shí)，由于前面合束光束誤差較大導(dǎo)致光束聚焦鏡位置偏離模擬預(yù)定位置，使得快慢軸兩個(gè)方向的焦點(diǎn)位置發(fā)生偏離，快慢軸焦點(diǎn)沒有完全重合，使激光不能高效率耦合進(jìn)入光纖。

5 結(jié) 論

本文采用曲面空間合束的方式對(duì)多單管半導(dǎo)體激光器進(jìn)行合束。通過ZEMAX模擬，分析了在曲面空間合束技術(shù)中光束傾斜角度與可容納單管半導(dǎo)體激光器的數(shù)量的關(guān)系，確定了光束的傾斜角度和排布數(shù)量，從而建立了34路多單管半導(dǎo)體激光器光學(xué)系統(tǒng)，并采用兩片方向不同的柱面鏡對(duì)光束進(jìn)行聚焦，最終耦合進(jìn)芯徑200 μm、數(shù)值孔徑0.22的光纖，最大輸出功率312.03 W，耦合效率91.76%。通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)出半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，最終完成17路多單管半導(dǎo)體激光器樣機(jī)的裝調(diào)，得到100.5 W的輸出功率，耦合效率為68.46%。該系統(tǒng)作為自動(dòng)化設(shè)備機(jī)器視覺學(xué)習(xí)的樣機(jī)，在設(shè)備高精度的保證下有望實(shí)現(xiàn)更高的輸出功率及耦合效率。