基于808nm百瓦级高亮度半导体激光器单管合束模块

摘要：半导体激光器单管emitter结构具有工作电流低，转换效率高；体积小；寿命长；易于集成等特点。但是，由于半导体激光器emitter结构的功率比较低，通常又不能满足高亮度的需求，所以我们采用emitter结构单管合束技术，将18只功率为8.5W条宽200微米基于emitter结构半导体激光器进行合束，并耦合进芯径为200um、NA0.22的光纤，光纤输出功率为102.4W，获得的耦合效率超过85%，电光转换效率达到35.4%，亮度达到2.18MW/cm2sr。模块中每个半导体激光器单管采用串联的电连接方式以减小激励电流，只需简单风扇制冷就可以达到百瓦级散热的目的。制作的单管合束模块适于更恶劣的环境如军事机载、航天航空等特殊行业中使用。

关键词：半导体激光器；单管合束；高亮度；光纤耦合

1 引言

本文将基于808nm emitter[1-2]结构的单管采用空间合束和偏振合束组合的方法，克服cm-bar光纤耦合的缺点，同时保持了单管光纤耦合亮度高的优点。采用阶梯排列的空间合束方法，使emitter的各个发光点出现的指向误差降低，提高亮度，光纤耦合后，在光纤芯径为200μm，数值孔径NA为0.22时，实现102.4W，亮度达到2.18MW/cm2sr，耦合效率大于85%。

2设计原理

在实验中我们采用两组阶梯排列结构进行单管空间合束，将N个单管半导体激光器安装固定在一个阶梯型的热沉上，使它们发出的光束在快轴方向叠加进行空间合束。这种方法结构简单，所用光学元件少，调试方便，有利于获得高的耦合效率和亮度。然后我们将两组阶梯排列的激光器进行偏振合束，合束后输出功率提高近一倍，光斑亮度增加近一倍。快轴准直后的LD1至LDN的发出光束在z轴上形成了一组快轴方向空间叠加的光束[3]，然后用快慢轴分别聚焦镜对叠加后的光束进行聚焦，使光束在光纤端面聚焦进而耦合进光纤，聚焦光斑。

3 模拟结果与实验结果对比分析

对于大功率半导体激光器通常使用光参数积（Beam Parameter Product，BPP）来衡量半导体光束质量的好坏，光参数积和亮度的定义为[4]：

光参数积 （1）

亮度 （2）

其中ω0楣獍呤腰半径，θ0为远场发散角，P为输出功率。

本文设计的合束模块是在保持单管光束质量不变的情况下，通过采用空间合束和偏振合束组合技术提高输出功率，以达到提高系统亮度的目的，是目前提高激光束亮度的主要方法。

光纤耦合后，半导体激光系统能够获得的最大亮度[5-7]可以表示为

（3）

其中，B为初始亮度，ηFAC表示快轴准直微透镜的准直效率，ηPL表示光学元件透过效率，ηstQ为系统总的快轴发散角与单元快轴发散角比值，ηFF为快轴、慢轴方向的总的填充因子，Kp表示偏振合束对系统亮度的增加量。

对于一根给定的光纤，能够耦合进光纤的最多单管数目可以由光纤的光参数积与准直后单管的光参数积的比值确定，计算方法如下[16]：

（4）

（5）

其中，NFA和NSA表示的是快轴和慢轴方向可以耦合进的单管数目，Df和θf分别是光纤芯径和全发散角，ωFA、ωSA和θFA、θSA分别是快轴、慢轴方向的准直光束的束腰半径和发散角，γSA和γFA为快轴、慢轴方向的填充因子。由此可见，要想将尽量多的单管激光器耦合进指定芯径的光纤，可以通过对半导体激光光束进行准直，提高光束质量，增大两方向的填充因子实现。

实验中采用波长为808nm，工作电流9.5A时，工作电压为1.9V，输出功率达到8.5W的单管半导体激光器，快轴方向发散角为60°，慢轴方向发散角为10°。半导体激光器的快轴方向发光宽为1μm，慢轴方向条宽为200μm。快轴采用ingerenic公司的FAC-090经zemax模拟后，发散角可以达到1.2mrad，但是由于加工精度以及装调等因素发散角可以达到2.5mrad，慢轴我们采用自行设计的F20mm微柱透镜， 经zemax模拟后，发散角可以达到5mrad。

以阶梯方式把单管光源方便的堆放在快轴方向上，维持了二极管激光器的亮度。每个二极管激光器都平行于快慢轴镜片，得到了精准的指向性和优异的填充因子。每一个发光源前有快轴准直镜 （FAC）和慢轴准直镜（SAC），每个单管光源被安排在相关的光学元件前面以减少相邻发光单元之间死角，最大限度地发挥二极管亮度。

经分析，差别的主要原因是加工精度以及快轴方向装调误差及模拟时的探测器距离和实际我们观测得的光斑位置不同造成的。

为了提高亮度，再结合偏振棱镜PBS来增加系统的亮度近一倍。实验中使用的808nm半导体激光器均为TE模式，即磁场矢量振动方向垂直于p-n结平面，为p偏振光。通过半波片将其中一组中的9只激光器的偏振态改变为s偏振。然后经过PBS棱镜时，P偏振光透过，透过率>95%，S偏振光反射，反射率>99%，两路入射光束在PBS的偏振合束膜上同等面积下功率加倍，所以理论上偏振合束后光束质量不变。

虽然偏振合束后的快轴和慢轴方向光束质量接近，但是此时快轴发散角为2.5mrad，慢轴发散角为7mrad，慢轴发散角近似于快轴的2.8倍，因此需要设计一套扩束系统，我们在这里采用了一套2.8倍的伽利略望远柱面扩束系统，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=20.1mm，r2=58.3mm，将慢轴光束进行扩束，使得快慢轴发散角相等，采用焦距为45mm三片透镜组聚焦透镜有效的将近似为平行光束耦合进入芯径200um，数值孔径0.22的光纤。

经过精密调试，我们最终将18只emitter半导体激光器合束并耦合进光纤，实现了光纤耦合输出，光纤芯径200um，数值孔径0.22。。

对比模拟结果与实验结果：

1、造成模拟准值的发散角与实际准直的发散角差别的主要原因是：

1） 快轴方向是指向性装调误差造成的。

2） 慢轴方向是由于慢轴发散角随驱动电流的增加而增大造成的。

2、造成模拟的整个系统的光-光转换效率约为90%，与实际整个系统的光-光转换效率约为85%，差别的主要原因是：

1） 在空间合束处存在漏光现象，造成能量损失；

2） 偏振合束，半导体激光器本身输出光束的偏振度为98%，偏振棱镜的偏振膜透射和反射也不完全，造成能量损失；

3） 光学面的反射或散射损失；

4） 耦合时，光纤的位置和角度要求非常苛刻，实验时光纤相对于焦点位置有一定的偏移，相对于光轴有一定倾斜所以会导致耦合效率下降；

5） 实际的光纤是弯曲的，会使光在光纤里面传输时有弯曲损耗。

4 总结

采用单管合束技术实现了多只激光器集成，多路半导体激光合束并耦合进光纤，模块中所有半导体激光器采用串联方式，在9.5A电流激励下，将18只功率为8.5W条宽200微米基于emitter结构半导体激光器进行合束，通过芯径200um、NA0.22的光纤输出功率102.4W，耦合效率达85%，目前正在解决快轴光束质量偏差的问题，以使快轴光束质量接近设计值，通过更好的校正快轴准直镜装调误差，快轴方向的光束质量最多可以提高1.5倍。则快轴空间上可以再增加3-5层，仍可以高效耦合进200μm光纤，进一步提高亮度。

参考文献：

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

[2] 彭航宇， 顾媛媛， 朱洪波 等. 大功率半导体激光光源光束整形技术研究[J]. 中国激光，2011， 38（2）： 0202010-1～0202010-6

[3] 朱洪波，郝明明，彭航宇等，基于808nm半导体激光器单管合束技术的光纤耦合模块[J]中国激光，2012， 39（5）： 0502001-5

[4]胡黎明.近t外大功率半导体激光治疗仪及其应用研究 [D].长春：中科院长春光学精密机械与物理研究所，2011