高亮度光纤耦合技术

大功率半导体激光器单管合束及光纤耦合技术孙旭晴主要内容：国内外现状单管半导体激光器准直系统空间合束扩束系统实验结果分析国内外现状国外现状德国夫琅禾费研究所采用阶梯镜反射法将两种偏振态的波长为９７５ｎｍ的单管半导体激光器进行合束制成光纤耦合模块，１０５μｍ光纤输出功率达１００Ｗ，耦合效率达８０％。德国弗朗和菲研究所采用锥形单管半导体激光器制成光纤耦合模块，50μm光纤输出功率达50W，波长为975nm，亮度达16.8MW/cm2-str。美国Ｏｃｌａｒｏ公司也采用偏振合束技术将波长为９８０ｎｍ的单管半导体激光器制成光纤耦合模块，１０５μｍ光纤输出功率１００Ｗ，耦合效率为７３％。通过光纤合束器将多个光纤耦合模块进行合束，功率可达上千瓦。德国JENOPTIK公司采用慢轴整体准直法实现105μm光纤输出65W的光纤耦合模块，波长为976nm，亮度可以达到9MW/cm2-str；国内现状目前国内单管半导体激光器合束技术还不成熟，长春理工大学采用二级反射镜法进行单波长光纤耦合，200μm光纤输出功率达12.4W，效率达74%。国外单管半导体激光器合束的输出功率达到几十瓦，最大输出功率可以达百余瓦。北京凯普林光电有限公司研发的976nm半导体激光器光纤耦合模块可以通过105μm光纤输出功率50W，为国内的较高水平。图1-1北京凯普林公司的50W/150um光纤耦合模块产品表1.1国际上单管光束耦合比较表1设计方案首先通过微透镜对每个单管半导体激光器进行快慢轴准直，通过空间合束使准直后的光束在快轴叠加，再利用偏振合束技术对空间合束后的光束进行偏振合束，最后利用自行设计的扩束聚焦系统将合束后的光束进行扩束，聚焦进入光纤，极大地提高光纤耦合模块的亮度。其中芯径为105μm、NA0.2的光纤耦合模块输出功率15.22W，亮度超过1.4MW/cm2-str。2光束质量的计算为了获得更高的亮度，我们选取光纤芯径为105μm，NA0.2的光纤，即dF=105um，θF=0.2。由于半导体激光合束后的光斑呈方形，且远场分布也呈方形，而光纤的芯径和NA均为轴对称分布，所以聚焦后快慢轴的BPP需满足以下条件通常半导体激光器在快慢轴方向光束质量相差很大，以实验中所用到的808nm半导体激光器为例，快轴发光尺寸1.5um，慢轴发光尺寸100um，相应的发散角为60°×11°（95%能量），可以由单管半导体激光器快慢轴方向的尺寸及发散角得出快慢轴的光束质量为通过上面公式可以看出快轴方向的光束质量较好，但是发散角很大，在合束中不利于单管半导体激光器在快轴方向的叠加，需要使用小焦距的透镜对激光器进行准直3准直系统图4-2给出的是使用直径400um石英光纤对快轴发散角为60°（95%能量）的半导体激光器准直结果，准直后发散角大于2°（95%能量）。实验中所使用的FAC有效焦距（EFL）为0.85mm，非球面系数为-0.8，为椭圆面型；慢轴发散角相对较小，所使用的慢轴准直镜（SAC）面型为柱面镜，EFLSAC=20mm，具体结构如图4-6所示。4校正球差的准直在类似于单管合束这种高光束质量的应用中，对快轴准直后的发散角要求较高，需要更好的校正球差，就必须采用短焦距、大孔径的非球面快轴准直柱面镜（FAC）对半导体激光器的快轴准直，图4-4是采用FAC准直的示意图，准直之后快轴发散角理论可以达到2.2mrad（95%能量）。利用光学设计软件模拟得到准直后的光束发散角如图4-8所示，准直后快慢轴发散角分别为2.2mrad×4.6mrad（95%能量），相应的光束质量如表4.1所示。可以看出慢轴光束BPP小于5.25mm·mrad，但是比快轴大很多，因此需要通过在快轴方向叠加光束来使快慢轴方向BPP相等。5空间合束由于每个FAC的高度为1.5mm，因此使得每两个半导体激光器之间的高度差为1.5mm。在FAC的装调和固定时会产生指向性误差，通常在±0.5mrad范围内，我们在设计时需要把这个误差考虑进去，因此整个合束后光源快轴方向的发散角为3.2mrad。按照上面公式(4-3)计算，快轴方向上可以排放4只半导体激光器，我们在阶梯热沉的每个台阶上各排列一只单管半导体激光器，每个台阶高度为1.5mm。每只激光器经过FAC和SAC准直后，通过一个反射棱镜进行全反射，使4只激光器发出的光束在快轴叠加，如图4-9所示。快轴合束后的光斑图如4-10所示，叠加后的光束快慢轴尺寸6mm×4.3mm，发散角为3.2mrad×4.6mrad，快慢轴的光束质量为时快轴方向的BPP和慢轴方向的BPP最接近，但是此时快轴发散角为3.2mrad，慢轴发散角为4.6mrad，慢轴发散角是快轴的1.44倍，因此需要设计一套扩束系统，将慢轴光束进行扩束，使得快慢轴发散角相等，这样聚焦后才能在光纤端面获得一个正方形的光斑.常用的激光扩束系统分为开普勒扩束结构和伽利略扩束结构两种。6扩束系统1）开普勒扩束结构开普勒扩束内部结构如图4-11所示，属于非成像系统，由具有正光焦度的目镜和物镜组成，入射光束在目镜和物镜间会存在一个焦点，当入射激光功率较大时，容易出现空气击穿的现象，因此不适合在大功率激光系统中应用。2）伽利略扩束结构伽利略扩束结构由正光焦度的物镜和负光焦度的目镜组成，因为此结构为共虚焦点，其轴向间距为正透镜与负透镜焦距绝对值之差，所以整个光学系统其轴向尺寸较小，结构紧凑，负目镜能够对正物镜进行像差补偿，使系统形式简单，减少了反射面的光能量损失。另外由于是无焦系统，可避免发生空气击穿，因此在大功率激光扩束中多采用此结构。采用伽利略结构设计了一套1.44倍的柱面扩束系统，如图4-13所示，由一个凹柱面镜和一个凸柱面镜组成，面型分别为平凹和平凸面型。r1=13.6mm，r2=19.58mm，慢轴扩束前后的BPP如表4.2所示。当半导体激光束通过扩束系统后，慢轴发散角缩小了1.44倍，实现了与快轴发散角相等，而慢轴BPP增大了1.05倍，这是由于慢轴扩束镜采用了两片单片镜结构，而且均为平凸面型，无法消除扩束过程中产生像差导致的。图中h和θ分别表示聚焦前光束的半宽和发散半角，h'和θ'表示经过聚焦后的光束半宽和发散半角，f为耦合镜的焦距。我们利用ZEMAX光学设计软件对聚焦透镜组进行函数优化并限制焦距为47mm，透镜的材料选用融石英JGS1光学玻璃，选取三片透镜的初始结构，经过优化，我们得出了最佳结构，其结构参数在表4.3中列出，聚焦镜组的结构如图4-14中所示。图4-15是聚焦镜组在0°角视场的点列图和波前图，从图中可知在视场角为0°时点列图的几何弥散圆直径小于艾里斑，波前图中的PV值为0.05个波长，证明此设计是接近衍射极限的，完全满足使用要求。7实验结果分析实验中采用了4个输出功率为5W，波长为808nm的单管半导体激光器，其输出波长如图4-16所示，中心波长λ为808.6nm，光谱宽度Δλ为2.6nm（FWHM），单个激光器的P-I曲线如图4-17所示，在注入电流为5.8A时，工作电压为1.62V，输出功率达到5W，斜线效率为1.05W/A，相应的电光转换效率为45%。通过公式(4-9)可以计算出光纤耦合模块的输出亮度，式中B是亮度，P是输出功率，D是光纤的芯径，θ是光纤的数值孔径。经过计算，在光纤耦合连续输出达15.22W时，此模块亮度可以达到1.4MW/cm2-str.通过Matlab处理在束腰位置得到相应的光斑轮廓如图4-20所示，聚焦光斑呈平顶分布。图4-21为光纤耦合输出的光斑强度分布图，可以看出通过光纤传输后，光强分布发生变化，由平顶分布变成高斯分布，光强分布更均匀。谢谢