基于mini—bar高亮度半导体激光光纤耦合模块

张志军

摘要：目的：面对半导体激光合束光源直接应用于金属材料焊接、熔覆、表面合金化等工业领域的需求市场[1-4]，对激光的亮度提出了更高要求，方法：本文采用12只出射波长分别为915、976nm的传导冷却半导体激光min-bar阵列为发光单元，并进行了光学设计、机械设计和总体组装最终研制出了460W高亮度光纤耦合模块。结果：实验结果表明：该模块光纤的连续输出功率可达402W，光纤芯径仅为200μm，数值孔径NA=0.22，相当于激光亮2.19MW/（cm2·str）。结论：此高亮度模块可以实现柔性加工，直接应用于金属材料焊接、熔覆、表面合金化等工业领域，对于半导体激光器在工业领域实现应用具有重要的意义。

关键词：min-bar阵列；光纤耦合；高亮度；偏振合束

1 引言

目前，半导体激光单元器件功率提高很快，但单个器件输出功率较cm-bar仍有较大差距，面对超高功率cm-bar受制于电源最大电流的限制，一种新型大功率半导体激光mini-bar得以出现并迅速发展。半导体激光mini-bar阵列，又叫半导体激光短阵列（Diode laser short bars，DLSBs），目前已取得了一定的研究成果。m2k-laser报道了在微通道冷却条件下，由5个发光单元组成的DLSBs在连续输出模式下出光功率可达到50W，并且每个发光单元条宽仅为90μm；OSRAM和DILAS等联合研制的填充因子（fill factor）为50%的DLSBs，其出光功率可达90W，它是由9个条宽为200微米的发光单元组成的，其周期为400μm。为了方便应用，这些研究单位已经利用DLSBs进行了光纤耦合，DILAS利用DLSBs作為发光单元研制成功了从200μm，NA=0.22的光纤出光功率为775W；该模块仅使用了偏振合束，如果再结合波长合束可以更进一步提高出光功率。

目前国内还没有发现利用mini-bar进行光纤耦合研究的报道，本文利用亮度较高mini-bar进行光纤耦合研究，以此来得到高亮度的光纤输出，使半导体激光更加方便地应用于金属材料焊接、熔覆材料加工。

2 设计原理

对于大功率半导体激光器通常使用光参数积（Beam Parameter Product，BPP）来衡量半导体光束质量的好坏，光参数积和亮度的定义为[5-6]：

光参数积 （1）

亮度 （2）

其中w0为光斑束腰半径，θ0为远场发散角，P为输出功率。

由公式2可知，目前提高激光束亮度的主要方法：1）保持功率不变的情况下，减小发光单元的光束质量；2）在保持单元光束质量不变的情况下，通过采用空间合束、波长合束和偏振合束组合技术提高输出功率，以达到提高系统亮度的目的。

实验采用的mini-bar激光器快轴方向的发光尺寸为1.5μm，慢轴方向的发光尺寸为5mm，腔长为3.6mm，mini-bar由10个发光单元组成，每个发光单元的尺寸为90μm，发光周期为500μm，由快慢轴的发散角为45°×6°（90%能量）得出快慢轴方向的光束质量为：

BPPf = 1.5×10-3 mm/2×45×17.5 mrad/2=0.29 mm mrad （3）

BPPs = 5 mm/2×6×17.5 mrad /2=131.25 mm mrad （4）

根据式3可以看出mini-bar在快轴方向光束质量很好，达到了衍射极限；但是慢轴方向的光束质量很差，所以必须进行光束整形以减小慢轴方向光参数积，同时增加快轴方向的光参数积，一般采用光束分割重排的方法，常用的方法有棱镜组、阶梯镜等分割重排的方法。本文采用了LIMO公司生产的光束转换器]（Beam transform system， BTS）和自己设计的慢轴准直镜（SAC）进行光束整形。

FAC是用来压缩mini-bar快轴方向的发散角，其面型是非球面以消除球差。45 °倾斜柱透镜阵列将每个发光单元出射的光束旋转90°。从而减小了慢轴方向BBP值。考虑到45°倾斜柱透镜像差、加工精度以及装调误差等因素，快轴发散角θFA？整形后为8 mrad。

由下式5：

，

（5）

式中ωSA=90 μm为发光单元宽度，θSA？为准直后慢轴发散角

采用普通柱面镜将慢轴方向发散角压缩到和快轴方向发散角相等，其焦距为fSA'，计算得fSA'=11.25 mm。准直后慢轴方向光斑尺寸为ωSA' ：

， （6）

光束整形后慢轴方向和快轴轴方向发散角相同，均为8 mrad。经计算单个mini-bar的光参数积为：

， （7）

对于一根给定的光纤，能够耦合进光纤的最多mini-bar数目可以由光纤的光参数积与准直后mini-bar的光参数积的比值确定，计算方法如下：

（8）

（9）

其中， 和 表示的是快轴和慢轴方向可以耦合进的mini-bar数目， 和 分别是光纤芯径和全发散角， 、 和 、 分别是快轴、慢轴方向的准直光束的束腰半径和发散角， 和 为快轴、慢轴方向的填充因子。

从式5、8可以看出单个mini-bar在快轴方向的BPP值较小，为了增加激光功率，在快轴方向把光束叠加3层使快慢轴方向BPP值接近，该过程称为空间复用。将mini-bar在快方向的间隔设置为2 mm，此时这个方向的光束质量为：

， （10）

为了进一步提高亮度，然后将应用空间合束技术的3只mini-bar在垂直方向上叠加起来的模块作为一组，将3只915nm和3只976nm的传导冷却半导体激光min-bar进行波长合束，系统的亮度增加近一倍，然后利用PBS将上下两层模块偏振合束，系统的亮度又增加近一倍，理论上合束后光束质量不变。endprint

为了进一步压缩激光束的发散角，我们在这里采用了一套2倍的伽利略望远球面扩束系统，考虑到消像差，则由一个凹柱面镜和一个凸柱面镜组成，面型分别为平凹和平凸面型。在减小快慢发散角的同时会增加激光的光斑尺寸，但扩束过程中BPP值保持不变。

准直合束后的激光束形状为矩形，则光束在对角线方向的光斑尺寸ω0和远场发散角θ0由式11决定，为了满足此光斑能够耦合进入芯径为200μm，数值孔径NA=0.22的光纤，聚焦镜的通光孔径应大于激光光斑尺寸见式12，聚焦镜的焦距不仅应使聚焦后的焦平面光斑直径小于光纤芯径Dfiber，还应该使聚焦后的光束发散角小于光纤对应数值孔径NA的发散角见式13。式中D为激光聚焦镜的口径，f ？为激光聚焦镜焦距。

（11）

（12）

（13）

计算得23.4mm≤f'≤35.3mm，本文选择f ？=29.1mm。

3. 实验及结果

3.1 BTS的安装

利用骏河精机的精密六维调节架和自行设计的夹具将BTS调节到合适的位置和角度，然后利用UV胶将其固化在CS热沉上，在水平方向变成快轴得到准直，发散角大小为8 mrad（1/e2）；在垂直方向变成慢轴，光束仍然发散。

3.2系统组装及光束参数测量

经过精心机械设计和组装各光学元件，首先将3个带BTS的CS激光器热沉固定在3层阶梯底座上，然后装调每个子模块的慢轴准直镜和反射镜，在装调时要保证每束光的出射方向相同，然后再将3只915nm和3只976nm的传导冷却半导体激光min-bar进行波长合束，然后利用PBS将上下两层偏振合束；最后利用优化设计的三片式聚焦镜将激光耦合进入光纤。

利用德国PRIMES公司生产的FocusMonitor光束质量分析仪来测量聚焦后光束的参数，以聚焦镜焦平面为中心，在6倍瑞利长度上均分为21个平面，对每个平面激光强度进行分析并进行高斯拟合，经计算可得出光束的束腰直径为175.2 μm，发散角为12.4 °，所以可将它耦合到芯径200 μm，数值孔径NA=0.22的光纤。

经测量在驱动电流为52.5 A时，此模块聚焦镜后功率为460.6 W，光纤出光功率为402 W，耦合的效率为87.2 %，电光转换效率为43.1 %，在30 A时达到最大值47.3 %，亮度达到2.19MW/（cm2·str）。

造成模拟的整个系统的光-光转换效率约为90%，与实际整个系统的光-光转换效率约为80%，差别的主要原因是：

1） BTS装调时有一定的指向性误差使空间合束处存在漏光现象，造成能量损失；

2） 由于半导体激光器本身输出光束的偏振度仅为98%及偏振棱镜的偏振膜透射和反射也不完全，所以偏振合束时造成能量损失；

3） 偏振合束和波长合束时，合束后光斑没有完全重叠，整体光斑变大致使耦合效率下降；

4 结论

本文采用mini-bar进行光纤耦合， 实现芯径为200μm，数值孔径NA为0.2的光纤402W 的高功率输出，亮度达到2.19MW/cm2sr，光纤耦合效率超过85%，可以满足光纤激光对光纤耦合半导体激光泵浦模块高功率高亮度输出的要求。同时此模块可以直接应用于金属材料的切割、焊接和打孔等工业加工应用的领域。对于半导体激光器在工业领域实现直接应用具有重要的意义。

参考文献：

[1]大功率半导体激光器件的最新发展现状分析，激光聚焦世界，2010年10月13

[2]Harald K？nig等，Scaling brilliance of high power laser diodes[J].SPIE，2010

[3]Matthias Haag等，Novel high-brightness fiber coupled diode laser device[J].SPIE，2007

[4]S.D.Roh等，Progress in high brightness diode laser based on tailored diode laser bar[J].SPIE，2010

[5] F. Bachmann， P. Loosen， R. Poprawe. High Power Diode Lasers Technology and Applications [M]， Springer Series in OPTICAL SCIENCES， 2007.

[6] 王祥鵬， 梁雪梅， 李再金等. 880nm半导体激光器列阵及光纤耦合模块[J]， 光学精密工程， 2010， 18（5）.

WANG X P， LIANG X M， LI Z J et al.. 880 nm semiconductor laser diode arrays and fiber coupling module[J]， Opt. Precision Eng.， 2010， 18（5）. （in Chinese）endprint