浅谈高亮度系列光纤耦合半导体激光器

1 引言

  光纤耦合半导体激光器以其体积小、光束质量好、寿命长及性能稳定等优势在各领域得到广泛应用,主要作为光纤激光器的泵浦源、固体激光器泵浦源,也可直接应用于激光医疗,材料处理如熔覆、焊接等领域。受光纤激光器向高功率方向发展趋势的影响,半导体激光器也在向高功率、高亮度发展,高亮度半导体激光器具有较高的光功率密度,经合束器合束同样成为高功率光纤激光器理想的泵浦源。目前光纤耦合半导体激光器结构主要有单管耦合激光器、多单管耦合激光器、迷你Bar以及Bar条/叠阵系列,多单管耦合激光器因其具有高可靠性而成为光纤激光器的主流泵浦源之一,本文主要介绍通过多单管光纤耦合技术实现高亮度半导体激光器的技术与实现。

  2 多单管结构

  多单管结构是将多路分立的半导体激光器发出的光束经过整形、重新排列、合束后耦合进入单根光纤,从而可提高激光器输出功率。由于分立半导体激光器芯片必须安装在具有一定大小的热沉上,如果直接将多个半导体激光器的输出光束进行排列并聚焦耦合,通常由于受到每个芯片和其热沉体积的限制,合并光束体积较大,很难获得小芯径高亮度的光纤耦合输出。为减小合并光束的空间体积大小,必须采取一定的措施。为此,凯普林自主研发的多单管耦合结构采用阶梯热沉、聚焦透镜、耦合光纤以及独特的安装方式,光路设计简化了结构的复杂性,减小了组件的体积,大大提高了半导体激光器输出的功率,同时保证了耦合点的合理工作温度,如图1所示。

  

  在进行多单管耦合前可对分立半导体激光器芯片进行老化筛选,从而保证了多单管耦合后的可靠性。单管的随机失效特性独立,相比于Bar条、叠阵无热效应干扰,单管的可替换也增加了其耐用性,具有较高的成本优势。

  3 光纤耦合

  为实现高亮度、高功率输出可增加同时耦合单管半导体激光器的数量来保证较高的输出功率,但将合束后的激光束耦合进入单根光纤中还必须满足三个条件:一是光斑的最大直径小于光纤芯径;二是光束的发散角小于光纤的数值孔径对应的角度;三是激光快、慢轴的光束参量积(BPP,光束束腰半径与发散角半角的乘积)要小于光纤光束参量积。即

  

  但实际应用中,只有光纤中心的正方形区域是可用区域,如图2所示,耦合光束截面如图3,

  

  图2 光纤耦合时光纤的可用区域

  

  图3 光纤中光束截面图

  对于芯径为200μm,数值孔径为0.22的光纤,它的BPP值为22mm mad,可耦合的半导体激光束的BPP最大值为:

  

  以9xxnm半导体激光器单支芯片输出的激光光束数据为例,慢轴束腰直径为95μm,发散角半角10°(99%的能量),其光束参量积约为8.3mm mrad;快轴束腰直径1.5μm,发散角半角39°(99%),光束参量积约为0.51mm mrad。经软件仿真,理论上200μm/0.22NA的光纤中可以耦合28个激光束。目前,经过多年的技术积累,凯普林9xxnm高亮度光纤耦合半导体激光器最高耦合分立半导体激光器数最高可达20支。

  4 结论与展望

  本文介绍了一种多单管耦合结构以及实现高亮度激光输出的计算方法,在高亮度半导体激光器领域,多单管光纤耦合技术广泛应用于9xxnm、793nm、808nm等波长激光器中,分别作为掺镱光纤激光器和掺铥光纤激光器以及掺钕固体激光器的泵源;10W-200W不同功率级别可对应各种工作模式及功率要求的光纤激光器应用。未来,凯普林将通过增加偏振合束、多波长合束等方法将实现更高亮度的光纤耦合半导体激光器,为高功率光纤激光器用户提供更多的产品与服务。

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