譚 昊，郭林輝，高松信，李建民，尹新啟，武德勇，唐 淳

(1.中國工程物理研究院應用電子學研究所，四川綿陽 621900;

2.中國工程物理研究院高能激光科學與技術重點實驗室，四川綿陽 621900)

基于偏振折疊的光纖耦合實驗研究

譚 昊1，2，郭林輝1，2，高松信1，2，李建民1，2，尹新啟1，2，武德勇1，2，唐 淳1，2

(1.中國工程物理研究院應用電子學研究所，四川綿陽 621900;

2.中國工程物理研究院高能激光科學與技術重點實驗室，四川綿陽 621900)

基于二極管激光器mini-bar的光纖耦合方式是一種降低耦合系統(tǒng)成本并提高整體轉換效率的方法。提出一種偏振折疊的光束整形方式，并采用一種CW 50 W mini-bar進行了相關耦合系統(tǒng)的設計。針對mini-bar的特殊結構與散熱需求，設計了針對mini-bar封裝用的特種微通道冷卻器，并通過封裝實驗結果驗證設計有效。將10片封裝在銅微通道冷卻器上的CW 50W mini-bar組裝成兩列各5 bar的疊陣，實現(xiàn)了兩列疊陣的激光束沿快軸方向的空間合成，合成后輸出功率439 W，空間耦合效率97%。根據(jù)耦合系統(tǒng)的設計進行了400μm芯徑、0.22 NA的光纖耦合實驗，得到光纖輸出端脈沖激光功率186.9W，整體光光效率為52.2%。

二極管激光器;mini-bar;偏振折疊;空間疊加;光纖耦合

1 引 言

光纖耦合輸出的二極管激光器(diode laser，DL)模塊具有結構緊湊、亮度高、可靠性高等特點，在泵浦光纖激光器、材料處理、醫(yī)療儀器等領域都獲得了廣泛的應用。通常這種激光器都采用標準線陣二極管激光器(cm-bar)，但由于其慢軸方向的光束質量較差，無法直接耦合進入光纖，需要對其光束進行切割重排，以平衡快慢軸的光束質量，并滿足光纖束參積(beam parameter product，BPP)的要求。

如此造成耦合系統(tǒng)整體結構復雜、成本較高、效率較低，且難以滿足光纖激光器與材料處理等應用中的亮度要求。為解決這個問題，實驗采用發(fā)光單元(emitter)的尺寸、個數(shù)、腔長與周期(pitch)經(jīng)過特別設計的mini-bar，其慢軸方向的光束發(fā)散角相對較小，寬度較窄，改善了器件在慢軸方向的光束質量，避免了厘米bar在光纖耦合中需要采用復雜光束整形系統(tǒng)這一缺陷，在效率與成本方面都具有較大優(yōu)勢。

2 耦合設計

2.1 耦合設計原則

要實現(xiàn)二極管激光的高效光纖耦合，需要關注DL的結構與發(fā)光輻射特性、封裝技術以及在其與光纖之間的一系列光學系統(tǒng)。通常情況下一個DL光纖耦合系統(tǒng)結構組成如圖1所示。

圖1 耦合系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Scheme of a fiber coupling system

根據(jù)拉格朗日不變量可知，光束經(jīng)過無像差的光學系統(tǒng)，其發(fā)散角與束腰會發(fā)生改變，但是兩者乘積保持不變，因此使用二極管激光的BPP與光纖的BPP進行比較則可判斷光束是否能被耦合進入光纖。

在光纖耦合設計中，DL光束的BPP必須滿足:

式中，Qfast為快軸的BPP;Qslow為慢軸的BPP;Qfiber為光纖可接收的最大BPP;ω0為DL的光束束腰半徑; θ0為光束的遠場發(fā)散全角。并且Qfast與Qslow須盡可能一致。

考慮到DL的輸出特性，首先根據(jù)mini-bar慢軸方向的BPP，確定快軸方向芯片的數(shù)量，使快慢軸BPP盡量一致。其次，根據(jù)光束快軸與慢軸方向上的遠場發(fā)散角與束腰，設計慢軸擴束與聚焦光學系統(tǒng)，其原則是慢軸擴束后光束的發(fā)散角與束腰盡可能與快軸相一致。最后，根據(jù)具體應用需求，考慮采用空間耦合、偏振合束與波長疊加的方式進一步提高系統(tǒng)輸出功率。

2.2 基于偏振折疊的光纖耦合系統(tǒng)設計

為實現(xiàn)0.22 NA、400μm芯徑的光纖大于150W的激光輸出。實驗選用CW 50W mini-bar進行設計。這種 mini-bar的 emitter寬度為 90μm，pitch為500μm，腔長為3.6 mm，emitter個數(shù)為10，輸出光束慢軸發(fā)散角6°，波長為980 nm。可以計算出CW 50 W mini-bar慢軸方向的BPP為28.75 mm·mrad，設計采用偏振折疊的光束整形法縮小慢軸方向的BPP，滿足光纖芯徑的要求。采用疊陣封裝形式，微通道冷卻器厚1.8 mm，通過空間耦合的方式進一步提高輸出功率，如圖2所示。

圖2 DL疊陣與空間耦合示意圖Fig.2 Scheme of DL stack and spatial coupling

在實際封裝過程中，由于芯片焊接與堆疊等封裝工藝的限制，需要引入各種誤差考慮:堆疊引入的慢軸指向性偏差±0.05°及芯片焊接時的定位誤差±0.3 mm;偏振折疊中，分光后兩束光的指向偏差±0.1°與光瞳偏差±0.3 mm;空間耦合引入的兩列疊陣之間的快慢軸指向偏差±0.05°，慢軸方向光瞳偏離值±0.3 mm。計算得到快軸方向最多可以堆疊5片 mini-bar，空間耦合后快軸方向 BPP為25.26 mm·mrad，慢軸方向 BPP為 24.75 mm· mrad。根據(jù)式(1)計算可知，要實現(xiàn)此空間疊加模塊的光纖耦合，對應0.22 NA的光纖其芯徑不能小于319μm。可以將空間疊加后的光束耦合進入0.22 NA、400μm芯徑的光纖。系統(tǒng)的結構示意圖如圖3所示。

圖3 基于偏振折疊的光纖耦合光路原理示意圖Fig.3 Scheme of a fiber coupling system based on polarization folding

3 mini-bar封裝設計與實驗

3.1 mni-bar封裝設計

與厘米bar相比，mini-bar特殊的結構使其腔長約為厘米bar的兩倍，且腔面輸出光功率密度比厘米bar的高，微通道冷卻器需具有更強的散熱能力，特別是沿腔長方向上的散熱能力，因此需要針對mini-bar的特殊需求設計新型的高效冷卻器。

考慮到實際加工難度，實驗所使用的銅微通道冷卻器采用6層結構設計，每層厚0.3 mm，整體長28.5 mm，寬11.8 mm，微通道寬100μm，微通道肋片寬200μm，其結構如圖4所示。設微通道冷卻器中冷卻水的流量為0.35 L/min，溫度為25℃，設mini-bar電－光轉換效率為60%，且熱功率均勻分布在10個emitter上，采用ANSYS進行計算，得到mini-bar輸出光功率50 W時的溫度分布如圖5所示。

圖4 微通道冷卻器結構Fig.4 Schematic illustration ofmicrochannel heat sink structure

圖5 溫度分布Fig.5 Temperature distribution of diode laser heat sink design

芯片激活區(qū)相對于冷卻水的熱阻Rthermal可以由進行計算?？梢钥闯鯟W 50 W mini-bar工作時結區(qū)溫度約為40.3℃，根據(jù)式(3)計算得到芯片激活區(qū)相對于冷卻水的熱阻為0.47℃/W。

3.2 mni-bar封裝實驗與性能測試

CW 50 W mini-bar的封裝實物如圖6所示。驅動電流為CW 50 A時測得CW 50W mini-bar的P-IE曲線如圖7所示，其斜率效率約為1 W/A，電－光轉換效率最大為62.2%，中心波長為975.85 nm，光譜半高寬約為3.66 nm。慢軸遠場發(fā)散角為5.8° (FW1/e2)。

在加載連續(xù)電流的條件下，測得不同溫度下閾值電流的變化。熱沉溫度從15℃增加到30℃時，CW 50 W mini-bar的閾值電流從3.82 A增加到4.1 A。在加載1%占空比(Duty Cycle，DC)準連續(xù)電流的條件下，測得mini-bar的中心波長隨溫度的變化曲線與加載連續(xù)電流的條件下中心波長隨芯片熱功率變化，得到CW 50 W mini-bar的Δλ/ΔT= 0.336 nm/℃，Δλ/ΔQ=0.178 nm/W，由式(3)可以計算出芯片激活區(qū)相對于冷卻水的熱阻 Rthermal= 0.530℃/W，中心波長漂移 5.8 nm，結區(qū)溫度42.3℃。與理論計算結果較為一致。

根據(jù)設計，將10片CW 50W mini-bar組裝為5 bar×2的CW 50 W mini-bar空間耦合疊陣，如圖8所示。驅動電流為CW 50 A時測得其輸出功率439 W，空間耦合效率97%。

圖6 銅微通道熱沉封裝的CW 50W mini-barFig.6 Mini-barmounted on microchannel heatsink

圖7 CW 50W Mini-bar的P-I-E曲線Fig.7 P-I-E curve of CW 50W mini-bar

圖8 Spatial couplingmoduleFig.8 CW 50 W mini-bar空間耦合疊陣

4 基于偏振折疊的光纖耦合實驗

偏振合束法是利用偏振耦合器將偏振方向的互相垂直的兩束光合成，是提高DL光束亮度的一種方法?？紤]DL光纖耦合中對慢軸方向光束質量的要求，設計一種光束整形法，將同一束光沿慢軸方向分為兩部分，通過偏振合束法合成，將亮度、光束質量同時提高一倍，即偏振折疊光束整形法。如圖3所示。

根據(jù)耦合設計，采用CW 50 W mini-bar空間耦合疊陣進行光纖耦合實驗。得到偏振折疊前后的光斑照片如圖9所示。偏振折疊整形后的光束經(jīng)聚焦透鏡會聚，在驅動電流為1%DC、50 A時由CCD采集到的焦點光斑強度分布如圖10所示。圖中白色圓圈的直徑為400μm。

由于使用的光纖無法承受高功率，因此在加載1%DC、50 A的準連續(xù)電流時，進行了耦合效率測試。測得光纖前后脈沖激光功率分別為258.5 W、186.9 W，耦合效率約為 72.3%，整體光光效率為52.2%。

圖9 偏振折疊前后的光斑圖Fig.9 Beam profile of polarization folding

圖10 焦點光強分布Fig.10 Intensity distribution before coupling

通過對系統(tǒng)不同部位光功率的監(jiān)測，得到準直透鏡透過率98.1%、空間耦合效率為96.9%、慢軸擴束器傳輸效率為92.0%、偏振折疊效率為84.9%，聚焦透鏡組傳輸效率為97.4%?？梢钥闯?，除光學元件的傳輸損失外，影響整體耦合效率的主要因素為偏振折疊與光纖耦合造成的功率損失。偏振折疊部分的損失主要為芯片輸出光束為偏振度95%的p光，以及半波片與平面反射鏡造成的損失。耦合效率過低的原因則是偏振折疊中，光束經(jīng)3塊平面反射鏡反射后造成的指向性偏差增大了光束的BPP，并使焦點處光強分布不均勻，影響了光纖耦合效率。

下一步計劃通過檢測折疊后光束的遠場強度分布來進行偏振折疊部分的調節(jié)工作，通過測量與計算掌握偏振折疊后光束的BPP，以提高系統(tǒng)的耦合效率。另外，嘗試對偏振折疊部分的結構進行改進，減少平面反射鏡的使用以降低可能因平面反射鏡裝調誤差造成的指向性偏差。

5 結論

本文提出一種偏振折疊的光束整形方式，并采用一種CW 50 W mini-bar完成了相關耦合系統(tǒng)的設計。針對mini-bar的特殊結構與散熱需求，設計了針對mini-bar封裝用的特種微通道冷卻器，并通過封裝實驗結果驗證設計有效。將10片封裝在銅微通道冷卻器上的CW 50W mini-bar組裝成兩列各5 bar的疊陣，實現(xiàn)了兩列疊陣的激光束沿快軸方向的空間合成，合成后輸出功率439W，空間耦合效率97%。根據(jù)耦合系統(tǒng)的設計進行了400μm芯徑、0.22 NA的光纖耦合實驗，得到光纖輸出端脈沖激光功率186.9W，整體光光效率為52.2%。下一步工作將主要針對偏振折疊部分進行調整以提高耦合效率。

［1］Haag M，K hler B，Biesenbach J，et al.Novel high brightness fiber coupled diode laser device［C］//Proc of SPIE.2007:64560T.

［2］Friedrich Bachmann，Peter loosen，Reinhart Poprawe.High power diode lasers:technology and applications［M］.Springer，2007:147－158.

［3］GUO Linhui，GAO Songxin，WU Deyong，et al.Beam collimation of diode laser vertical stack［J］.High Power Laser and Particle Beams，2011，23(3):577－580.(in Chinese)

郭林輝，高松信，武德勇，等.二極管激光器垂直陣列光束精密準直［J］.強激光與粒子束，2011，23(3): 577－580.

［4］GAO Songxin，WU Deyong，WANG Jun，et al.Multiplayer bonding technique for high power diode laser package［J］.High Power Laser and Particle Beams，2003，15(5): 447－449.(in Chinese)

高松信，武德勇，王駿，等.高功率二極管激光器封裝的多層焊接技術［J］.強激光與粒子束，2003，15(5): 447－449.

［5］GAO Xin，BO Baoxue，QIAO Zhongliang，et al.Single fiber coupling of multi-linear-array-diode-lasers［J］.Acta Photonica Sinica，2010，39(7):1229－1234.(in Chinese)

高欣，薄報學，喬忠良，等.多線陣半導體激光器的單光纖耦合輸出［J］.光子學報，2010，39(7): 1229－1234.

［6］WANG Zuolan，Segref A，Koenning T，et al.Fiber coupled diode laser beam parameter product calculation and rules for optimized design［C］//Proc of SPIE，2011:791809.

［7］Wolf P，K hler B，Rotter K，et al.High-power，highbrightness and low-weight fiber coupled diode laser device［C］//Proc of SPIE，2011:791800.

［8］Koenning T，Alegriaa K，Wang Zuolan，et al.Macro-channel cooled，high power，fiber coupled diode lasers exceeding 1.2kW of output power［C］//Proc of SPIE.2011:79180E.

［9］PittroffW，Erbert G，Eppich B，et al.Conductively cooled 1 kW-QCW diode laser stacks enabling simple fiber coupling［J］.IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies，2010，33(1):206－214.

［10］GUO Linhui，TANG Chun，WU Deyong，et al.Measurement of“smile”for high-power diode laser array［J］.High Power Laser and Particle Beams，2009，21(2):196－197.(in Chinese)

郭林輝，唐淳，武德勇，等.大功率二極管激光線陣的“smile”測量方法［J］.強激光與粒子束，2009，21(2): 196－197.

Experimental study on fiber coupling based on polarization folding

TAN Hao1，2，GUO Lin-hui1，2，GAO Song-xin1，2，LIJian-min1，2，YIN Xin-qi1，2，WU De-yong1，2，TANG Chun1，2
(1.Institute of Applied Electronics，CAEP，Mianyang 621900，China;
2.The Key Laboratory of Science and Technology on High Energy Laser，CAEP，Mianyang 621900，China)

Fiber coupled system based onmini-bar is an effectiveway for avoiding complex beam shaping to reduce the costs and improve brightness.A beam shapingmethod named polarization folding is designed to reduce BPP of slow axis to a half，and the fiber coupling scheme based on polarization folding is also given.A microchannel heatsink is designed for the special demand ofmini-bar package，and it had been proved according to the result of packaging experiment.439W output power ofmini-bar spatial couplingmodule and 97%spatial coupling efficiency are achieved by spatial coupling of two 5 mini-bar stacks.A peak power of186.9W is achieved in the fiber coupling experiment，the O-O efficiency is about52.2%.

diode laser;mini-bar;polarization folding;spatial coupling;fiber coupling

TN253

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.04.00 2

1001-5078(2014)04-0361-05

國家自然科學基金重大項目(No.60890201);中物院應用電子學研究所所自研課題(No.2011JGZY05);中國工程物理研究院高能激光科學與技術重點實驗基金(No.HEL2013－11)資助。

譚 昊(1985－)，男，博士，主要從事二極管激光器及應用技術研究。E-mail:tanhaomf@163.com

2013-08-26