高亮度光纤耦合技术

1、2021/8/21大功率半导体激光器单管合束大功率半导体激光器单管合束及光纤耦合技术及光纤耦合技术孙旭晴2021/8/22v主要内容：v国内外现状v单管半导体激光器v准直系统v空间合束v扩束系统v实验结果分析2021/8/23国内外现状国外现状v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的单管半导体激光器进行合束制成光纤耦合模块，光纤输出功率达 ，耦合效率达。v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，50m 光纤输出功率达 50W，波长为 975nm，亮度达 16.8MW/cm2-str。v美国公司也采用偏振合束 技术 将波 长为的单管半导体激光器制成光纤耦合模

2、块，光纤输出功率，耦合效率为。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。v德国 JENOPTIK 公司采用慢轴整体准直法实现 105 m 光纤输出 65 W的 光 纤 耦 合 模 块 ， 波 长 为 976 nm， 亮 度 可 以 达 到9 MW/cm2-str；2021/8/24国内现状v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，200 m 光纤输出功率达 12.4 W ， 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。 v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

3、块可以通过 105m 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2021/8/25表 1.1 国际上单管光束耦合比较表2021/8/261设计方案v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 105m、NA0.2 的光纤耦合模块输出功率15.22W，亮度超过 1.4MW/cm2-str。2021/8/272021/8/282光束质量

4、的计算v为了获得更高的亮度，我们选取光纤芯径为105m，NA0.2的光纤，即dF=105um，F=0.2。v v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2021/8/292021/8/210v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 6011（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

5、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2021/8/2113准直系统v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）。2021/8/2122021/8/213v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。2021/8/2144校正球差的准直v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

6、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）。2021/8/2152021/8/2162021/8/217v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2.2mrad4.6mrad（95%能量），相应的光束质量如表4.1所示。2021/8/218v可以看出慢轴光束BPP小于5.25 mmmrad，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。2021/8/2

7、195空间合束v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。2021/8/2202021/8/221v快轴

8、合束后的光斑图如4-10所示，叠加后的光束快慢轴尺寸6mm4.3mm，发散角为 3.2mrad4.6mrad，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。2021/8/2226扩束系统v1）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

9、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。2021/8/223v2）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。2021/8/224v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

10、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。2021/8/225v图中 h 和 分别表示聚焦前光束的半宽和发散半角，h和 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

11、，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。2021/8/2262021/8/2272021/8/228v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。2021/8/2297实验结果分析v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，中心波长为808.6nm，光谱宽度为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%。2021/8/2302021/8/2312021/8/232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，是光纤的数值孔径。经过计算，在光纤耦合连续输出达15.2