淺談高亮度系列光纖耦合半導體激光器

1 引言

  光纖耦合半導體激光器以其體積小、光束質量好、壽命長及性能穩定等優勢在各領域得到廣泛應用,主要作為光纖激光器的泵浦源、固體激光器泵浦源,也可直接應用于激光醫療,材料處理如熔覆、焊接等領域。受光纖激光器向高功率方向發展趨勢的影響,半導體激光器也在向高功率、高亮度發展,高亮度半導體激光器具有較高的光功率密度,經合束器合束同樣成為高功率光纖激光器理想的泵浦源。目前光纖耦合半導體激光器結構主要有單管耦合激光器、多單管耦合激光器、迷你Bar以及Bar條/疊陣系列,多單管耦合激光器因其具有高可靠性而成為光纖激光器的主流泵浦源之一,本文主要介紹通過多單管光纖耦合技術實現高亮度半導體激光器的技術與實現。

  2 多單管結構

  多單管結構是將多路分立的半導體激光器發出的光束經過整形、重新排列、合束后耦合進入單根光纖,從而可提高激光器輸出功率。由于分立半導體激光器芯片必須安裝在具有一定大小的熱沉上,如果直接將多個半導體激光器的輸出光束進行排列并聚焦耦合,通常由于受到每個芯片和其熱沉體積的限制,合并光束體積較大,很難獲得小芯徑高亮度的光纖耦合輸出。為減小合并光束的空間體積大小,必須采取一定的措施。為此,凱普林自主研發的多單管耦合結構采用階梯熱沉、聚焦透鏡、耦合光纖以及獨特的安裝方式,光路設計簡化了結構的復雜性,減小了組件的體積,大大提高了半導體激光器輸出的功率,同時保證了耦合點的合理工作溫度,如圖1所示。

  

  在進行多單管耦合前可對分立半導體激光器芯片進行老化篩選,從而保證了多單管耦合后的可靠性。單管的隨機失效特性獨立,相比于Bar條、疊陣無熱效應干擾,單管的可替換也增加了其耐用性,具有較高的成本優勢。

  3 光纖耦合

  為實現高亮度、高功率輸出可增加同時耦合單管半導體激光器的數量來保證較高的輸出功率,但將合束后的激光束耦合進入單根光纖中還必須滿足三個條件:一是光斑的最大直徑小于光纖芯徑;二是光束的發散角小于光纖的數值孔徑對應的角度;三是激光快、慢軸的光束參量積(BPP,光束束腰半徑與發散角半角的乘積)要小于光纖光束參量積。即

  

  但實際應用中,只有光纖中心的正方形區域是可用區域,如圖2所示,耦合光束截面如圖3,

  

  圖2 光纖耦合時光纖的可用區域

  

  圖3 光纖中光束截面圖

  對于芯徑為200μm,數值孔徑為0.22的光纖,它的BPP值為22mm mad,可耦合的半導體激光束的BPP最大值為:

  

  以9xxnm半導體激光器單支芯片輸出的激光光束數據為例,慢軸束腰直徑為95μm,發散角半角10°(99%的能量),其光束參量積約為8.3mm mrad;快軸束腰直徑1.5μm,發散角半角39°(99%),光束參量積約為0.51mm mrad。經軟件仿真,理論上200μm/0.22NA的光纖中可以耦合28個激光束。目前,經過多年的技術積累,凱普林9xxnm高亮度光纖耦合半導體激光器最高耦合分立半導體激光器數最高可達20支。

  4 結論與展望

  本文介紹了一種多單管耦合結構以及實現高亮度激光輸出的計算方法,在高亮度半導體激光器領域,多單管光纖耦合技術廣泛應用于9xxnm、793nm、808nm等波長激光器中,分別作為摻鐿光纖激光器和摻銩光纖激光器以及摻釹固體激光器的泵源;10W-200W不同功率級別可對應各種工作模式及功率要求的光纖激光器應用。未來,凱普林將通過增加偏振合束、多波長合束等方法將實現更高亮度的光纖耦合半導體激光器,為高功率光纖激光器用戶提供更多的產品與服務。

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