高亮度半导体激光器光纤耦合系统设计

高亮度半导体激光器光纤耦合系统设计

岳鹏远

长春理工大学 130000

摘要：

本文介绍一种利用空间合束技术和光纤耦合技术将9只波长为915nm 单管芯半导体激光器高效率耦合进光纤中，制备出具有高功率、高亮度输出光纤耦合模块。在使用光学软件进行模拟仿真后并通过实验验证，实验结果表明光纤耦合模块可以通过芯径105μm、数值孔径（NA）为0.22 的光纤输出大于110w 的功率，并且 亮度达到 8.64MW/(cm² ·sr).

关键词: 激光耦合; 激光准直; 激光合束; 半导体激光器

1 引言

工业应用和光纤激光泵浦已经证明了对光纤耦合半导体激光器的需求增加，特别是新的固态器件-光纤激光系统，需要越来越高的功率、更高的亮度和单波长泵浦源。光纤耦合激光半导体模块具有几乎对称的能量分布和高度的指向稳定性，是新型固态激光器件的最佳泵浦源之一。 由于近年来半导体单芯片发射极的输出功率从1W大大提高到15W，光纤耦合半导体模块的输出功率从30W提高到800nm到 980nm波长区域的200W左右。例如，2014年，NLIGHT（美国）提出了一个新的元件封装，可以容纳多达18个发射体与偏振光束组合。此封装包提供直径为105μm的130W光纤和直径为200μm的225W光纤，可以提高输出功率和亮度。 在2016年，DILAS（德 国）报道了一个915nm单波长、传导冷却、光纤耦合的多棒模块，模块的输出功率为120W，核心直径为120μm到400μm^［1-3］．

在目前的工作中，我们选择半导体单管件来设计和实现商业上可用的高功率和高亮度仅基于9个单光束的光纤耦合模块。使用空间光束结合以及光纤耦合技术，将105μm NA为0.22光纤耦合器半导体激光模块，封装在915nm封装中，并通过软件仿真和实验验证。该模块在没有偏振光束组合技术的情况下，只能使用空间组合技术输出110W，因此模块的体积和工作电压较小。

2 光学设计和光束准直

2.1光学设计

为了实现高功率和更高的亮度，空间光束组合是一种有效的方法，通常用于多发射模块，在不降低光束质量的情况下，从一根光纤中实现高功率光纤输出。 通过软件进行光学设计和射线模拟，将包含9个器件的多个单发射模的光学耦合系数优化为99.6%。光纤的芯径为105μm ，NA典型值0. 22，所有9个半导体激光单发射体均为阶梯排列，所有发射体的高度梯度为0.4mm。通过快速准直器(FAC)和慢快速准直器(SAC)对每个管准直后，所有9束光束首先通过与每个管具有相同高度的反射镜反射。然后将九根光束空间组合成一个光束。最后，该光束通过光学聚焦透镜耦合成光纤^［6］。100W光纤耦合模块的光学设计和整体结构如图1所示。

图1 100W光纤耦合模块的光学设计和整体结构

2.2光束重塑

在大多数应用中，半导体激光束是由光纤传输的，这是因为它具有很大的灵活性和良好的径向对称性。没有光束准直系统的半导体激光器在许多情况下不能直接使用，因为它们的发射特征高度发（快轴中的角度一般为30°~ 50°，慢轴达到8~20°)和高度不对称光斑（一般为椭圆）。由于半导体激光器的光束特性，如果不准直光束，散光问题将无法避免。 因此，光束准直系统在光纤耦合模块中起着重要的作用，高功率半导体激光器的光束准直系统是目前许多应用的可行设计方案光束束参积(BPP，К)一般用于评价激光的光束质量，常用 θ×ω表示，其中θ是光束的法菲尔德半发散角，ω为束腰半径，NA是光纤的数值孔径^［5］ 。

为了多个半导体电容激光器耦合如芯径为105μmNA为0.22的光纤中。在聚焦前，激光半导体光束的光束质量符合方程（1)和(2）给出的要求；

， （1）

， （2）

由于光纤端面是圆形，为保证光纤耦合的高效率输出，准直后均方根束参积值应小于光纤束参积。

图2 半导体光束束参积示意图

半导体激光单管的设计为，快、慢角的发散角为44.5°（95%）和12.19°（95%），波长为915nm。通过光束质量分析仪测量芯片的光斑和发散角，如图3所示。

图3 半导体激光单管的光斑

在设计中，选用了9个中心波长为915nm的半导体激光半导体正弦波管来构成模块。表1显示了单管的主要属性;通过方程(1)和(2)计算，单个管在快轴上的BPP等于0.291mm·mrad，慢轴等于6.378mm·mrad。

表1单管参数

由于单管的快轴方向光束质量发散角很大，几乎达到衍射极限。为了减小像差对快轴光束质量的影响，焦距为200 μm的球面柱透镜是FAC透镜的最佳选择。半导体半导体激光器的慢轴发散角远小于快轴发散角，因此柱面透镜如SAC透镜的焦距为14.5mm，准直度计算过程如下公式^[7-8]:

，（3）

， （4）

， （5）

式3~5中，f是准直柱面透镜的焦距,ω的一半大小的现货在准直透镜后,θ是快和慢轴的发散角,t是准直透镜和半导体激光器之间的距离.d是透镜的厚度,n是透镜的折射率。然后,根据公式(3),(4)和(5),可以计算得到 mm, 0.28°/4.137mrad, 53μm, 1.55mm, 0.24°/4.137mrad, 13.2μm。图4和图5为FAC /SAC对快/慢轴的处理过程，图的右上方为光斑剖面，左上方为束准直后快/慢轴的。通过软件对该过程进行仿真，得到了比实际效果更好的结果。

图4 对快速轴进行了FAC处理，得到了光束准直后快速轴的光斑分布和剩余发散角。

图5 慢轴经过SAC的处理后、光斑轮廓和光束准直后慢轴的剩余发散角

通过式(3)和式(5)准直计算，单发射体在快轴上的BPP等于0.297mm·mrad,慢轴等于6.412mm·mrad。为了从模组光纤中获得最大的功率和亮度，我们选择了空间组合技术。通过将光纤的BPP与单管的BPP进行划分，找到了可以组合成标准光纤的最大管数。这不仅在快/慢轴上进行，而且在填充因子上也进行，如式(6)(7)所示^[3,9]:

, (6)

, (7)

在方程(6)和(7),N_FA和N_SN分别为快轴和慢轴上的管个数,D_f和θ_f为光纤的直径和全角，ω和θ是平行波束宽度和激光束的发散角,γ是填充因子。因子2解释了将一束方形光束耦合成一束圆形光纤的几何特性，所以光纤上的光斑尺寸必须小于 倍纤芯，，发射角度也必须 倍小于光纤NA。考虑到快轴和慢轴上的轴向误差接近于1，因为两个方向上的光束都可以作为一个正方形点。

根据式(6)和(7)，我们估计管的最大数目为9。 因此，我们选择了9个半导体激光器单管来处理空间光束技术。在半导体激光管的光束经过准直透镜的变形后，我们使用9面反射镜旋转90°。因此，我们选择了9个半导体激光器单管来处理空间光束技术，使9束变成正方形，这对耦合工艺的过程有很好的影响。

通过仿真对空间光束与点的空间组合过程如图6、图7所示。快轴和慢轴上的光斑尺寸为3.6mm和2.6mm。

经准直后，光斑在快轴和慢轴上的BPP为6.597mm·mrad和5.378mm·mrad。显然，准直后光斑在快轴和慢轴上的BPP均符合式(1)和(2)的要求。该模块采用空间组合技术，可获得较高的光耦合效率。

然后，简单的聚焦透镜将准直光束耦合到适当的数值孔径的光纤中。选用自THORLABS的球面柱透镜，其焦距为8mm，空间组合后的CA比光斑尺寸大9mm，非球面聚焦透镜的NA为5。利用软件仿真结果可以得到耦合效率大于99.6%的121.11 W输出功率。

图6 空间光束的空间组合过程

3热模拟分析和实验结果

该模块的主要目标是实现高功率、高亮度、高稳定性和可靠性。模块的热稳定性是我们必须考虑的一个非常重要的因素。封装采用模块化设计，分为四个部分:片上安装芯片、光学元件、多个二次模块安装和带外壳的集成散热片。通常需要冷却水来降低模块的热量，因此模块的整个组装都固定在一个散热片^[10-11]。

通过两个封装的温度比较，以评估模块和散热性能。热模拟基于ANSYS软件进行模拟，每个单管运行于14A，运行功率为13.5 W，冷却水温度为20℃。仿真结果如图8所示。

图8 有限元分析软件ANSYS的仿真结果

发射体以阶梯的方式堆叠，提供了良好的热路径从半导体到冷却板，确保芯片保持低温。根据ANSYS的仿真结果，可以得到带有9个单管的模块在14a时的温度为46.84℃，如图8(A)所示。当散热器上只有一个管时，温度为43.95℃，如图8 (b)所示。9个管和1个管之间的模块的温度变化仅为2.9℃。因此，采用9个单半导体激光发射头封装整个模块的方法对芯片的冷却效果良好。

该实验是建立在使用空间光束组合和光纤耦合技术的多个单半导体激光管上。我们可以得到一个模块，该模块可以输出111.5 W通过一个105μm,NA 0.22光纤。在该系统中，每个半导体通过透镜在快轴和慢轴上分别准直。发射体的几何形状和相应的光学元件被安排以减少每个发射体之间的“死空间”，以实现一个优秀的“填充因子”和最大限度的半导体亮度。真实光斑如图9所示。

图9 空间组合后的真实光斑

当电流为14A，中心波长为915nm (3.2 nm半宽)时，测量模块的最大功率为111.5 W。光纤耦合输出功率结果如图10所示，图中为封装中的光纤耦合半导体模块。模块的耦合效率为91.17%。综合考虑准直后的实际光斑大于激发光斑和光学系统中的功率损耗等因素，使得耦合效率低于激发光斑和准直光斑的计算值。

最后，通过非球面聚焦透镜将光束耦合到光纤中，实现光纤的光斑输出，如图11所示。

图10 半导体激光误码率耦合模块的输出功率和电压

图11光纤的输出光斑

这些模块满足市场对高亮度半导体激光器的需求，用于泵送光纤激光器和直接材料加工。这种机械安排方便地堆叠管保持半导体激光器的亮度。所以模块的亮度估计为8.64 MW/(cm²·sr)，根据公式(8)计算:

， （8）

式中，B为亮度，P为光纤的输出功率，D为纤芯直径。

4 结论

利用空间组合和光纤耦合技术，本次研究实现了9个半导体激光器单发射体高效耦合成光纤，输出功率为111.5 W，亮度为8.64 MW/(cm2·sr)。模块的体积和工作电压更小。这样的亮度水平将使半导体激光器与半导体泵浦的固态激光器直接竞争。此外，相信这些研究结果将对光纤激光器和半导体材料在工业领域的应用产生极大的积极意义。

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