基于808nm百瓦級高亮度半導體激光器單管合束模塊

張志軍

摘要：半導體激光器單管emitter結構具有工作電流低，轉換效率高；體積??；壽命長；易于集成等特點。但是，由于半導體激光器emitter結構的功率比較低，通常又不能滿足高亮度的需求，所以我們采用emitter結構單管合束技術，將18只功率為8.5W條寬200微米基于emitter結構半導體激光器進行合束，并耦合進芯徑為200um、NA0.22的光纖，光纖輸出功率為102.4W，獲得的耦合效率超過85%，電光轉換效率達到35.4%，亮度達到2.18MW/cm2sr。模塊中每個半導體激光器單管采用串聯的電連接方式以減小激勵電流，只需簡單風扇制冷就可以達到百瓦級散熱的目的。制作的單管合束模塊適于更惡劣的環境如軍事機載、航天航空等特殊行業中使用。

關鍵詞：半導體激光器；單管合束；高亮度；光纖耦合

1 引言

本文將基于808nm emitter[1-2]結構的單管采用空間合束和偏振合束組合的方法，克服cm-bar光纖耦合的缺點，同時保持了單管光纖耦合亮度高的優點。采用階梯排列的空間合束方法，使emitter的各個發光點出現的指向誤差降低，提高亮度，光纖耦合后，在光纖芯徑為200μm，數值孔徑NA為0.22時，實現102.4W，亮度達到2.18MW/cm2sr，耦合效率大于85%。

2設計原理

在實驗中我們采用兩組階梯排列結構進行單管空間合束，將N個單管半導體激光器安裝固定在一個階梯型的熱沉上，使它們發出的光束在快軸方向疊加進行空間合束。這種方法結構簡單，所用光學元件少，調試方便，有利于獲得高的耦合效率和亮度。然后我們將兩組階梯排列的激光器進行偏振合束，合束后輸出功率提高近一倍，光斑亮度增加近一倍?？燧S準直后的LD1至LDN的發出光束在z軸上形成了一組快軸方向空間疊加的光束[3]，然后用快慢軸分別聚焦鏡對疊加后的光束進行聚焦，使光束在光纖端面聚焦進而耦合進光纖，聚焦光斑。

3 模擬結果與實驗結果對比分析

對于大功率半導體激光器通常使用光參數積（Beam Parameter Product，BPP）來衡量半導體光束質量的好壞，光參數積和亮度的定義為[4]：

光參數積 （1）

亮度 （2）

其中ω0為光斑束腰半徑，θ0為遠場發散角，P為輸出功率。

本文設計的合束模塊是在保持單管光束質量不變的情況下，通過采用空間合束和偏振合束組合技術提高輸出功率，以達到提高系統亮度的目的，是目前提高激光束亮度的主要方法。

光纖耦合后，半導體激光系統能夠獲得的最大亮度[5-7]可以表示為

（3）

其中，B為初始亮度，ηFAC表示快軸準直微透鏡的準直效率，ηPL表示光學元件透過效率，ηstQ為系統總的快軸發散角與單元快軸發散角比值，ηFF為快軸、慢軸方向的總的填充因子，Kp表示偏振合束對系統亮度的增加量。

對于一根給定的光纖，能夠耦合進光纖的最多單管數目可以由光纖的光參數積與準直后單管的光參數積的比值確定，計算方法如下[16]：

（4）

（5）

其中，NFA和NSA表示的是快軸和慢軸方向可以耦合進的單管數目，Df和θf分別是光纖芯徑和全發散角，ωFA、ωSA和θFA、θSA分別是快軸、慢軸方向的準直光束的束腰半徑和發散角，γSA和γFA為快軸、慢軸方向的填充因子。由此可見，要想將盡量多的單管激光器耦合進指定芯徑的光纖，可以通過對半導體激光光束進行準直，提高光束質量，增大兩方向的填充因子實現。

實驗中采用波長為808nm，工作電流9.5A時，工作電壓為1.9V，輸出功率達到8.5W的單管半導體激光器，快軸方向發散角為60°，慢軸方向發散角為10°。半導體激光器的快軸方向發光寬為1μm，慢軸方向條寬為200μm?？燧S采用ingerenic公司的FAC-090經zemax模擬后，發散角可以達到1.2mrad，但是由于加工精度以及裝調等因素發散角可以達到2.5mrad，慢軸我們采用自行設計的F20mm微柱透鏡， 經zemax模擬后，發散角可以達到5mrad。

以階梯方式把單管光源方便的堆放在快軸方向上，維持了二極管激光器的亮度。每個二極管激光器都平行于快慢軸鏡片，得到了精準的指向性和優異的填充因子。每一個發光源前有快軸準直鏡 （FAC）和慢軸準直鏡（SAC），每個單管光源被安排在相關的光學元件前面以減少相鄰發光單元之間死角，最大限度地發揮二極管亮度。

經分析，差別的主要原因是加工精度以及快軸方向裝調誤差及模擬時的探測器距離和實際我們觀測得的光斑位置不同造成的。

為了提高亮度，再結合偏振棱鏡PBS來增加系統的亮度近一倍。實驗中使用的808nm半導體激光器均為TE模式，即磁場矢量振動方向垂直于p-n結平面，為p偏振光。通過半波片將其中一組中的9只激光器的偏振態改變為s偏振。然后經過PBS棱鏡時，P偏振光透過，透過率>95%，S偏振光反射，反射率>99%，兩路入射光束在PBS的偏振合束膜上同等面積下功率加倍，所以理論上偏振合束后光束質量不變。

雖然偏振合束后的快軸和慢軸方向光束質量接近，但是此時快軸發散角為2.5mrad，慢軸發散角為7mrad，慢軸發散角近似于快軸的2.8倍，因此需要設計一套擴束系統，我們在這里采用了一套2.8倍的伽利略望遠柱面擴束系統，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=20.1mm，r2=58.3mm，將慢軸光束進行擴束，使得快慢軸發散角相等，采用焦距為45mm三片透鏡組聚焦透鏡有效的將近似為平行光束耦合進入芯徑200um，數值孔徑0.22的光纖。

經過精密調試，我們最終將18只emitter半導體激光器合束并耦合進光纖，實現了光纖耦合輸出，光纖芯徑200um，數值孔徑0.22。。

對比模擬結果與實驗結果：

1、造成模擬準值的發散角與實際準直的發散角差別的主要原因是：

1） 快軸方向是指向性裝調誤差造成的。

2） 慢軸方向是由于慢軸發散角隨驅動電流的增加而增大造成的。

2、造成模擬的整個系統的光-光轉換效率約為90%，與實際整個系統的光-光轉換效率約為85%，差別的主要原因是：

1） 在空間合束處存在漏光現象，造成能量損失；

2） 偏振合束，半導體激光器本身輸出光束的偏振度為98%，偏振棱鏡的偏振膜透射和反射也不完全，造成能量損失；

3） 光學面的反射或散射損失；

4） 耦合時，光纖的位置和角度要求非?？量?，實驗時光纖相對于焦點位置有一定的偏移，相對于光軸有一定傾斜所以會導致耦合效率下降；

5） 實際的光纖是彎曲的，會使光在光纖里面傳輸時有彎曲損耗。

4 總結

采用單管合束技術實現了多只激光器集成，多路半導體激光合束并耦合進光纖，模塊中所有半導體激光器采用串聯方式，在9.5A電流激勵下，將18只功率為8.5W條寬200微米基于emitter結構半導體激光器進行合束，通過芯徑200um、NA0.22的光纖輸出功率102.4W，耦合效率達85%，目前正在解決快軸光束質量偏差的問題，以使快軸光束質量接近設計值，通過更好的校正快軸準直鏡裝調誤差，快軸方向的光束質量最多可以提高1.5倍。則快軸空間上可以再增加3-5層，仍可以高效耦合進200μm光纖，進一步提高亮度。

參考文獻：

[1] ISO/DIS-Standard 11146， International Organization for Standardization.

[2] 彭航宇， 顧媛媛， 朱洪波 等. 大功率半導體激光光源光束整形技術研究[J]. 中國激光，2011， 38（2）： 0202010-1～0202010-6

[3] 朱洪波，郝明明，彭航宇等，基于808nm半導體激光器單管合束技術的光纖耦合模塊[J]中國激光，2012， 39（5）： 0502001-5

[4]胡黎明.近紅外大功率半導體激光治療儀及其應用研究 [D].長春：中科院長春光學精密機械與物理研究所，2011