顧華欣，高欣，張曉磊，徐雨萌，薄報(bào)學(xué)

（長春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022）

半導(dǎo)體激光器具備體積小、效率高、易集成等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于通訊、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域［1-3］。由于半導(dǎo)體激光器自身固有結(jié)構(gòu)的限制，輸出為橢圓形光斑，其光束快軸方向上的發(fā)散角像差較大，所以存在很大的像散，光束質(zhì)量較差，快慢軸方向的能量分布也不均勻，所以通過使用光纖耦合的方法來改善、解決以上問題從而提高光束的質(zhì)量［4］。所以對(duì)半導(dǎo)體激光器尤其是大功率半導(dǎo)體激光器的光纖耦合研究具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。

目前，在商業(yè)市場主要有三種類型的大功率激光二極管封裝芯片：cm-bar，Mini-bar和單管。其中cm-bar的發(fā)光點(diǎn)個(gè)數(shù)較多，每個(gè)發(fā)光單元的輸出功率低，而且cm-bar的smile效應(yīng)增加了快軸準(zhǔn)直鏡的離軸相差，使得cm-bar上的各個(gè)發(fā)光點(diǎn)出現(xiàn)指向誤差，大大降低了光束質(zhì)量和光纖耦合效率，進(jìn)一步降低了亮度［5］。相比較cm-bar在單管的光纖耦合中，單發(fā)光點(diǎn)亮度更高、結(jié)構(gòu)散熱更好、更緊湊等優(yōu)點(diǎn)，每個(gè)單管采取分散排列結(jié)構(gòu)，提高單管激光器的亮度。對(duì)于大功率半導(dǎo)體激光器的研制，由于單管在準(zhǔn)直時(shí)是分別對(duì)快軸和慢軸進(jìn)行準(zhǔn)直，這樣的方法大大增加了工作量。采用的Mini-bar光纖耦合是一種區(qū)別于cm-bar和單管的新穎方案，它是一種特殊設(shè)計(jì)的、具有較少發(fā)光點(diǎn)的激光二極管線陣，為了克服cm-bar存在的問題，增加發(fā)光單元之間的間距減小熱串?dāng)_，提高激光器穩(wěn)定性和壽命，腔長也增加至3.5-5mm，輸出功率也得到了提高，同時(shí)又保持了單管光纖耦合的優(yōu)點(diǎn)，可以得到高質(zhì)量的慢軸方向光束［3］。

針對(duì)基于Mini-bar的半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊進(jìn)行研究，采用36只輸出功率為80W的Mini-bar半導(dǎo)體激光器組成兩列空間疊陣作為耦合光源，耦合進(jìn)NA0.22、芯徑300mm的目標(biāo)光纖中，系統(tǒng)最終輸出功率達(dá)到2849.3W，光纖耦合效率大于98%。

1 激光光纖耦合原理

半導(dǎo)體激光器有源區(qū)比較薄，垂直有源區(qū)方向容易產(chǎn)生衍射效應(yīng)，通常將與p-n結(jié)互相垂直的方向定義為快軸，快軸方向光束發(fā)散嚴(yán)重，通常角度能夠達(dá)到15°～35°；定義慢軸為與p-n結(jié)方向一致，慢軸方向的發(fā)散光角度一般為6°～15°。

在二極管激光光纖耦合研究中，評(píng)估激光二極管光束質(zhì)量最方便的方法是描述光束參數(shù)乘積（BPP），其定義為θ*W/4，其中θ是遠(yuǎn)場發(fā)散角，W是光斑尺寸［5］。采用的激光光源包括3個(gè)半導(dǎo)體激光疊陣模塊，由36只輸出為80W的Mini-bar半導(dǎo)體激光器組成。采用的Mini-bar芯片具有4個(gè)發(fā)光單元，每個(gè)發(fā)光單元的發(fā)光尺寸為90mm（慢軸方向）×1.5mm（快軸方向），慢軸發(fā)散角為8°，快軸發(fā)散角為35°，發(fā)光單元周期為1mm。由光參數(shù)積的定義可以分別計(jì)算出單個(gè)Mini-bar快軸、慢軸BPP：

泵浦源的高功率和高亮度能決定光纖激光器的輸出功率，所以要求所設(shè)計(jì)的模塊同時(shí)具有很高能量輸出和亮度，通常選用輸出功率較大的半導(dǎo)體二極管同時(shí)耦合進(jìn)較細(xì)芯徑的光纖中。選用光纖直徑300μm，數(shù)值孔徑0.22的光纖，即ω=300μm，θ=12.7°，所以光纖的BPP為：

激光的光纖耦合需要滿足以下條件：

（1）入射的光束直徑小于光纖芯徑；

（2）光束的最大入射角小于光纖數(shù)值孔徑NA［8］。

為了將準(zhǔn)直光束高效率的耦合到光纖中，準(zhǔn)直光束快軸和慢軸的BPP都應(yīng)小于光纖BPP，由圖1可得：

聚焦前后快軸的BPPf的和慢軸的BPPs滿足BPPfiber≥BPPf+BPPs時(shí)，光纖耦合的效率較高，損失的亮度較少。由以上可以得出快、慢軸BPP應(yīng)小于15.6mm·mrad。

圖1 光參數(shù)積示意圖

2 耦合設(shè)計(jì)及模擬

設(shè)計(jì)采用36只輸出功率為80W的Mini-bar芯片，首先在快軸方向上組成三列疊陣作為耦合光源，然后通過快慢軸準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后得到發(fā)散較小的準(zhǔn)直光束，最后通過合束、聚焦耦合進(jìn)入300μm芯徑的光纖中，實(shí)現(xiàn)大功率激光的高亮度光纖耦合輸出。

2.1 Mini-bar快、慢軸準(zhǔn)直

通常的半導(dǎo)體激光光束準(zhǔn)直包括圓柱透鏡準(zhǔn)直、非球面柱透鏡準(zhǔn)直、二元光學(xué)等方法。二元光學(xué)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且由于半導(dǎo)體激光器出射光束發(fā)散角較大，對(duì)準(zhǔn)直透鏡的準(zhǔn)直度要求高，綜合比較選擇非球面準(zhǔn)直柱透鏡進(jìn)行快軸準(zhǔn)直，采用柱面透鏡進(jìn)行慢軸準(zhǔn)直［9］。

首先進(jìn)行快軸準(zhǔn)直，采用有效焦距為0.67mm的非球面柱面透鏡作為快軸準(zhǔn)直透鏡（FAC）。通過使用該快軸準(zhǔn)直鏡（FAC）后，快軸的發(fā)散半角為1.25mrad，準(zhǔn)直光束尺寸為0.38mm，BPP為0.24mm·mrad。慢軸準(zhǔn)直采用的是有效焦距為6.7mm的平凸柱面微透鏡列陣進(jìn)行慢軸準(zhǔn)直（SAC），其原理是利用透鏡列陣增加每個(gè)發(fā)光單元的光束尺寸以達(dá)到較小發(fā)散角的目的。SAC后慢軸的發(fā)散半角為6.73mrad，發(fā)光尺寸為1.94mm，BPP為13.06mm·mrad?？?、慢軸準(zhǔn)直后的光束參數(shù)見表1。

表1 準(zhǔn)直后光束參數(shù)

從上述參數(shù)可知，單Mini-bar慢軸BPP遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于快軸BPP，所以可以在快軸方向采用疊陣方法使兩軸上的BPP接近，以達(dá)到提高光纖耦合功率、亮度的目標(biāo)。由上述公式（4）可知快軸最大BPP值為15.6mrad，巴條間距為1.8mm，由此可以得出快軸可疊加巴條數(shù)量為12只。圖2為一組半導(dǎo)體激光器疊陣通過準(zhǔn)直系統(tǒng)后模擬光路圖及準(zhǔn)直后的輸出光斑圖，快軸疊加后，發(fā)光半尺寸10.36mm，發(fā)散半角1.25mrad，BPP為12.95mrad，單巴條快軸方向光斑尺寸為0.48mm。

圖2 快軸疊加后光束

2.2 空間復(fù)用

如圖2（b）所示，巴條間間隔1.8mm，為了消除垂直方向上的暗區(qū)，可以利用發(fā)光點(diǎn)間的暗區(qū)填充兩個(gè)二極管激光器陣列的光束，幾乎可以保持光束質(zhì)量不變，采用空間復(fù)用的方法實(shí)現(xiàn)此過程的設(shè)計(jì)，基本原理如圖3所示［6］。復(fù)用三個(gè)二極管激光器陣列后的光束如圖4所示。

圖3 空間復(fù)用

圖4 垂直方向疊加

圖5給出了三列半導(dǎo)體激光器疊陣通過準(zhǔn)直系統(tǒng)后的模擬光路圖。疊加后快軸發(fā)光半尺寸為10.8mm，發(fā)散半角1.25mrad，BPP為13.5mrad；慢軸發(fā)光半尺寸2mm，發(fā)散半角6.73mrad，BPP為13.47mrad。可以看出此時(shí)快、慢軸的BPP基本一致。

圖5 疊加后快慢軸光路圖

2.3 擴(kuò)束系統(tǒng)

在激光切割或激光焊接等應(yīng)用中，小的光斑可以獲得更高的能量密度。為了有效減小聚焦光斑，快軸和慢軸方向的光束發(fā)散角度應(yīng)接近相等以減小快、慢軸方向的焦斑離散。為此，需要對(duì)合束光束慢軸方向進(jìn)行擴(kuò)束設(shè)計(jì)［9］。

擴(kuò)束采用一個(gè)負(fù)透鏡和一個(gè)正透鏡組成的伽利略擴(kuò)束系統(tǒng)（如圖6）。理論上，當(dāng)激光光束擴(kuò)大N倍時(shí)，其發(fā)散角也被相應(yīng)的壓縮N倍。擴(kuò)束前快軸發(fā)光半尺寸10.8mm，慢軸發(fā)光半尺寸2mm，為了使快、慢軸發(fā)散角接近相等，將慢軸發(fā)光半尺寸擴(kuò)大5倍為10mm，發(fā)散角也相應(yīng)的壓縮5倍為1.35mrad。擴(kuò)束前、后光束參數(shù)如表2，擴(kuò)束后輸出光斑如圖7所示。

圖6 擴(kuò)束系統(tǒng)

表2 擴(kuò)束前后光束參數(shù)

由表2可以看出擴(kuò)束前后系統(tǒng)的光參數(shù)積稍有增加，理論上光束經(jīng)過擴(kuò)束鏡后光束尺寸和發(fā)散角分別實(shí)現(xiàn)5倍的擴(kuò)大、壓縮，但是由于實(shí)際的擴(kuò)束系統(tǒng)存在光學(xué)像差造成BPP的少許增加。

圖7 擴(kuò)束后光束

2.4 聚焦系統(tǒng)

由幾何光學(xué)可知聚焦時(shí)如果產(chǎn)生像差，聚焦光斑會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理想聚焦光斑。這樣則很難保證聚焦后光斑滿足耦合要求，會(huì)降低耦合效率，所以光束聚焦時(shí)必須進(jìn)行消像差，激光光束聚焦通常有以下三種方式：垂直柱透鏡聚焦鏡組、三片式聚焦鏡組和非球面聚焦透鏡。其中垂直柱透鏡聚焦得到的光斑像差較大，三片式聚焦鏡組涉及的元件數(shù)量較多，為了簡化聚焦結(jié)構(gòu)，聚焦系統(tǒng)選擇單一的非球面聚焦透鏡，根據(jù)光纖耦合的條件要求其焦距需滿足：

其中，h為光斑尺寸，θ為光束發(fā)散角，θmax為光纖（規(guī)格：NA=0.22）可接受的最大入射角12.5°，d為光纖芯徑經(jīng)計(jì)算，焦距范圍為53mm～112mm，選擇焦距f=71mm非球面透鏡進(jìn)行聚焦。

事實(shí)上本次設(shè)計(jì)中，在聚焦鏡前擴(kuò)束鏡后的慢軸方向上插入有效焦距為1000mm的柱透鏡，因?yàn)榭炻S聚焦點(diǎn)有些許差距，在慢軸方向插入近平板玻璃的柱透鏡調(diào)整慢軸方向上的焦距，使快慢軸聚焦在同一點(diǎn)，光斑更好的耦合進(jìn)光纖內(nèi)。

半導(dǎo)體激光器光纖耦合的輸出亮度為：

式中，D為光纖纖芯直徑300μm，P為輸出功率，NA為0.22。

聚焦后的光斑如圖8（b）所示，由圖可以看到光斑幾乎能夠完全的進(jìn)入到光纖內(nèi)，耦合進(jìn)光纖后得到輸出光斑如圖9，此時(shí)輸出功率為2849.3W，亮度達(dá)到耦合效率可以達(dá)到亮度可達(dá)26.51MW/（cm2·sr），耦合效率達(dá)到98.93%。作為對(duì)比，圖8（a）給出合束光束耦合進(jìn)200mm光纖的聚焦光斑圖，可以達(dá)到95%的耦合效率，亮度可達(dá)57.36MW/（cm2·sr）。

圖8 聚焦光斑

圖9 光纖輸出光斑

激光器耦合總體結(jié)構(gòu)如圖10：

圖10 激光器耦合系統(tǒng)

3 結(jié)論

針對(duì)Mini-bar疊陣的光纖耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)出千瓦級(jí)大功率LD光纖耦合模塊。利用ZEMAX仿真優(yōu)化模塊光學(xué)系統(tǒng)對(duì)Mini-bar疊陣進(jìn)行高精度光束準(zhǔn)直、空間復(fù)用、光束擴(kuò)展、聚焦耦合將36個(gè)二極管激光器的輸出光束高效耦合到芯直徑為300μm，NA為0.22的光纖中。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，光纖輸出功率可達(dá)2849.3W，光纖耦合效率達(dá)到98.9%，亮度為26.51MW/（cm2·sr）。該光纖耦合系統(tǒng)可應(yīng)用于激光焊接、切割等許多領(lǐng)域。

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