高亮度光纖耦合技術(shù)

1、大功率半導(dǎo)體激光器單管合束大功率半導(dǎo)體激光器單管合束及光纖耦合技術(shù)及光纖耦合技術(shù)孫旭晴v主要內(nèi)容：v國內(nèi)外現(xiàn)狀v單管半導(dǎo)體激光器v準直系統(tǒng)v空間合束v擴束系統(tǒng)v實驗結(jié)果分析國內(nèi)外現(xiàn)狀國外現(xiàn)狀v德國夫瑯禾費研究所采用階梯鏡反射法將兩種偏振態(tài)的波長為的單管半導(dǎo)體激光器進行合束制成光纖耦合模塊，光纖輸出功率達 ，耦合效率達。v德國弗朗和菲研究所采用錐形單管半導(dǎo)體激光器制成光纖耦合模塊，50m 光纖輸出功率達 50W，波長為 975nm，亮度達 16.8MW/cm2-str。v美國公司也采用偏振合束 技術(shù) 將波 長為的單管半導(dǎo)體激光器制成光纖耦合模塊，光纖輸出功率，耦合效率為。通過光纖合束器將多個光纖

2、耦合模塊進行合束，功率可達上千瓦。v德國 JENOPTIK 公司采用慢軸整體準直法實現(xiàn) 105 m 光纖輸出 65 W的 光 纖 耦 合 模 塊 ， 波 長 為 976 nm， 亮 度 可 以 達 到9 MW/cm2-str；國內(nèi)現(xiàn)狀v目前國內(nèi)單管半導(dǎo)體激光器合束技術(shù)還不成熟，長春理工大學(xué)采用二級反射鏡法進行單波長光纖耦合，200 m 光纖輸出功率達 12.4 W ， 效率達 74%。 國外單管半導(dǎo)體激光器合束的輸出功率達到幾十瓦，最大輸出功率可以達百余瓦。 v北京凱普林光電有限公司研發(fā)的 976nm半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊可以通過 105m 光纖輸出功率 50W，為國內(nèi)的較高水平。圖 1-1

3、 北京凱普林公司的50W/150um光纖耦合模塊產(chǎn)品表 1.1 國際上單管光束耦合比較表1設(shè)計方案v首先通過微透鏡對每個單管半導(dǎo)體激光器進行快慢軸準直，通過空間合束使準直后的光束在快軸疊加，再利用偏振合束技術(shù)對空間合束后的光束進行偏振合束，最后利用自行設(shè)計的擴束聚焦系統(tǒng)將合束后的光束進行擴束，聚焦進入光纖，極大地提高光纖耦合模塊的亮度。其中芯徑為 105m、NA0.2 的光纖耦合模塊輸出功率15.22W，亮度超過 1.4MW/cm2-str。2光束質(zhì)量的計算v為了獲得更高的亮度，我們選取光纖芯徑為105m，NA0.2的光纖，即dF=105um，F(xiàn)=0.2。v v由于半導(dǎo)體激光合束后的光斑呈方形

4、，且遠場分布也呈方形，而光纖的芯徑和 NA 均為軸對稱分布，所以聚焦后快慢軸的 BPP 需滿足以下條件v通常半導(dǎo)體激光器在快慢軸方向光束質(zhì)量相差很大，以實驗中所用到的808nm 半導(dǎo)體激光器為例，快軸發(fā)光尺寸 1.5um，慢軸發(fā)光尺寸100um，相應(yīng)的發(fā)散角為 6011（95%能量），可以由單管半導(dǎo)體激光器快慢軸方向的尺寸及發(fā)散角得出快慢軸的光束質(zhì)量為通過上面公式可以看出快軸方向的光束質(zhì)量較好，但是發(fā)散角很大，在合束中不利于單管半導(dǎo)體激光器在快軸方向的疊加，需要使用小焦距的透鏡對激光器進行準直3準直系統(tǒng)v圖 4-2 給出的是使用直徑 400um 石英光纖對快軸發(fā)散角為 60（95%能量）的半導(dǎo)

5、體激光器準直結(jié)果，準直后發(fā)散角大于 2（95%能量）。v實驗中所使用的 FAC 有效焦距（EFL）為 0.85mm，非球面系數(shù)為-0.8，為橢圓面型；慢軸發(fā)散角相對較小，所使用的慢軸準直鏡（SAC）面型為柱面鏡，EFLSAC=20mm，具體結(jié)構(gòu)如圖 4-6 所示。4校正球差的準直v在類似于單管合束這種高光束質(zhì)量的應(yīng)用中，對快軸準直后的發(fā)散角要求較高，需要更好的校正球差，就必須采用短焦距、大孔徑的非球面快軸準直柱面鏡（FAC）對半導(dǎo)體激光器的快軸準直，圖 4-4 是采用 FAC 準直的示意圖，準直之后快軸發(fā)散角理論可以達到 2.2mrad（95%能量）。v利用光學(xué)設(shè)計軟件模擬得到準直后的光束發(fā)散

6、角如圖4-8所示，準直后快慢軸發(fā)散角分別為2.2mrad4.6mrad（95%能量），相應(yīng)的光束質(zhì)量如表4.1所示。v可以看出慢軸光束BPP小于5.25 mmmrad，但是比快軸大很多，因此需要通過在快軸方向疊加光束來使快慢軸方向BPP相等。5空間合束v由于每個 FAC 的高度為 1.5mm，因此使得每兩個半導(dǎo)體激光器之間的高度差為 1.5mm。在 FAC 的裝調(diào)和固定時會產(chǎn)生指向性誤差，通常在0.5mrad 范圍內(nèi)，我們在設(shè)計時需要把這個誤差考慮進去，因此整個合束后光源快軸方向的發(fā)散角為 3.2mrad。按照上面公式(4-3)計算，快軸方向上可以排放 4 只半導(dǎo)體激光器，我們在階梯熱沉的每個

7、臺階上各排列一只單管半導(dǎo)體激光器，每個臺階高度為 1.5mm。每只激光器經(jīng)過 FAC 和 SAC 準直后，通過一個反射棱鏡進行全反射，使 4 只激光器發(fā)出的光束在快軸疊加，如圖 4-9 所示。v快軸合束后的光斑圖如4-10所示，疊加后的光束快慢軸尺寸6mm4.3mm，發(fā)散角為 3.2mrad4.6mrad，快慢軸的光束質(zhì)量為時快軸方向的 BPP 和慢軸方向的 BPP 最接近，但是此時快軸發(fā)散角為3.2mrad，慢軸發(fā)散角為 4.6mrad，慢軸發(fā)散角是快軸的 1.44 倍，因此需要設(shè)計一套擴束系統(tǒng)，將慢軸光束進行擴束，使得快慢軸發(fā)散角相等，這樣聚焦后才能在光纖端面獲得一個正方形的光斑.常用的激

8、光擴束系統(tǒng)分為開普勒擴束結(jié)構(gòu)和伽利略擴束結(jié)構(gòu)兩種。6擴束系統(tǒng)v1）開普勒擴束結(jié)構(gòu) 開普勒擴束內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 4-11 所示，屬于非成像系統(tǒng)，由具有正光焦度的目鏡和物鏡組成，入射光束在目鏡和物鏡間會存在一個焦點，當(dāng)入射激光功率較大時，容易出現(xiàn)空氣擊穿的現(xiàn)象，因此不適合在大功率激光系統(tǒng)中應(yīng)用。v2）伽利略擴束結(jié)構(gòu) 伽利略擴束結(jié)構(gòu)由正光焦度的物鏡和負光焦度的目鏡組成，因為此結(jié)構(gòu)為共虛焦點，其軸向間距為正透鏡與負透鏡焦距絕對值之差，所以整個光學(xué)系統(tǒng)其軸向尺寸較小，結(jié)構(gòu)緊湊，負目鏡能夠?qū)φ镧R進行像差補償，使系統(tǒng)形式簡單，減少了反射面的光能量損失。另外由于是無焦系統(tǒng)，可避免發(fā)生空氣擊穿，因此在大功率激光擴

9、束中多采用此結(jié)構(gòu)。v采用伽利略結(jié)構(gòu)設(shè)計了一套 1.44 倍的柱面擴束系統(tǒng)，如圖 4-13 所示，由一個凹柱面鏡和一個凸柱面鏡組成，面型分別為平凹和平凸面型。r1=13.6mm，r2=19.58mm，慢軸擴束前后的 BPP 如表 4.2 所示。當(dāng)半導(dǎo)體激光束通過擴束系統(tǒng)后，慢軸發(fā)散角縮小了 1.44 倍，實現(xiàn)了與快軸發(fā)散角相等，而慢軸 BPP 增大了 1.05 倍，這是由于慢軸擴束鏡采用了兩片單片鏡結(jié)構(gòu)，而且均為平凸面型，無法消除擴束過程中產(chǎn)生像差導(dǎo)致的。v圖中 h 和 分別表示聚焦前光束的半寬和發(fā)散半角，h和 表示經(jīng)過聚焦后的光束半寬和發(fā)散半角，f 為耦合鏡的焦距。我們利用 ZEMAX 光學(xué)設(shè)

10、計軟件對聚焦透鏡組進行函數(shù)優(yōu)化并限制焦距為 47mm，透鏡的材料選用融石英 JGS1 光學(xué)玻璃，選取三片透鏡的初始結(jié)構(gòu)，經(jīng)過優(yōu)化，我們得出了最佳結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)在表 4.3 中列出，聚焦鏡組的結(jié)構(gòu)如圖 4-14 中所示。v圖4-15是聚焦鏡組在0角視場的點列圖和波前圖，從圖中可知在視場角為0時點列圖的幾何彌散圓直徑小于艾里斑，波前圖中的PV值為0.05個波長，證明此設(shè)計是接近衍射極限的，完全滿足使用要求。7實驗結(jié)果分析v實驗中采用了 4 個輸出功率為 5W，波長為 808nm 的單管半導(dǎo)體激光器，其輸出波長如圖4-16所示，中心波長為808.6nm，光譜寬度為2.6nm（FWHM），單個激光器的 P-I 曲線如圖 4-17 所示，在注入電流為 5.8A 時，工作電壓為 1.62V，輸出功率達到 5W，斜線效率為 1.05W/A，相應(yīng)的電光轉(zhuǎn)換效率為 45%。通過公式(4-9)可以計算出光纖耦合模塊的輸出亮度，式中B是亮度，P是輸出功率，D是光纖的芯徑