基于ZEMAX高功率半导体激光器光纤耦合设计

周泽鹏，薄报学，高 欣，王 文，许留洋，王云华，周 路

(长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室，吉林长春 130022)

1 引 言

近年来，随着光电子产业的飞速发展，大功率半导体激光器在激光加工、生产、生活等领域方面的应用范围逐步拓宽［1］。目前，半导体激光器与多模光纤耦合的研究已经发展到一个成熟阶段［2］，单管半导体激光器与光纤的高效耦合变得尤为重要。单管半导体激光器具有效率高、体积小、可靠性良好等优点［3］，但是，由于半导体激光器固有的结构特点，大功率半导体激光器的光参量积在快轴、慢轴方向相差较大，输出光能量不集中，远场光强分布不均匀，很难用普通的光学系统得到高亮度的大功率激光输出，严重妨碍了大功率半导体激光器的应用［4］。为了实现光纤耦合半导体激光器的大功率、高亮度输出，人们已经发展了多种激光合束与整形技术［5］。单管半导体激光器光纤耦合模块不仅可以从根本上改善输出光束的光束质量，而且采用多个单管半导体激光器进行合束，输出光束的总功率可以达到单体功率的数倍甚至数十倍。

本文运用ZEMAX光学设计软件［6］对12只单管半导体激光器进行了光纤耦合模块设计以及模拟仿真。单管半导体激光器为单偏振态，波长为808 nm，输出功率为10 W［7］，快轴方向发散角为50°，慢轴方向发散角为8°，发光面积为1 μm(快轴)× 200 μm(慢轴)［8］，腔长为 4 000 μm。模块采用阶梯热沉排列结构，首先通过快轴准直系统对单管半导体激光器的快慢轴光束进行准直，再通过偏振耦合镜组进行偏振合束，最后通过聚焦系统耦合进纤芯直径150 μm、数值孔径0.22的光纤中，输出功率为116.2 W，耦合效率为96.8%。

2 单管半导体激光器的光束特性

单管半导体激光器的有源层较薄，衍射效应使得单管半导体激光器的光束存在发散角并且快慢轴方向的发散角不一致。快轴方向(垂直于pn结方向)的发散角较大，达到18°～40°;慢轴方向(平行于pn结方向)的发散角相对较小，为8°～12°。这就产生了光束远场的不对称性。图1为单管半导体激光器的示意图，图2为单管半导体激光器光源的远场发光特性，远场光斑呈椭圆形分布。

图1 单管半导体激光器示意图Fig.1 The single-emitter laser diodes

图2 单管半导体激光器光源的远场发光特性Fig.2 The far field of single-emitter laser diodes lighting feature

光参数积(BPP)可以较好地表征激光光束质量，光参数积定义为光斑半径与发散半角的乘积［9］。

其中，BPPfa为快轴方向的光参数积，ωfa为快轴方向的光斑直径，θfa为快轴方向的发散角，BPPsa为慢轴方向的光参数积，ωsa为慢轴方向的光斑直径，θsa为慢轴方向的发散角。BPPfiber为光纤光参数积，ωfiber为光纤纤芯直径，θfiber为光纤最大发散角。

3 ZEMAX仿真模拟

本文应用ZEMAX光学设计软件对12只波长为808 nm的单管半导体激光器输出的光束进行合束，并且耦合进纤芯直径为100 μm、数值孔径为0.22的光纤中进行模拟仿真。单管半导体激光器的输出功率为10 W，快轴方向发散角为50°，慢轴方向发散角为 8°，发光面积为 1 μm(快轴)×200 μm(慢轴)，腔长为 4 000 μm。由单管半导体激光器快慢轴方向的尺寸和发散角以及光纤的纤芯直径和数值孔径，可以得出光束快慢轴方向和光纤的光参数积:

由式(4)、(5)、(6)可以看出，2BPPfa-sa≤BPPfiber，满足半导体激光器光纤耦合条件。由式(4)、(5)可见，慢轴方向的光参数积较大，达到了7 mm·mrad，远大于快轴方向的光参数积0.219 mm·mrad。在所有非相干多光束耦合系统中，主要有空间复合、偏振复合、波长复合3种复合方式［10］。通过ZEMAX光学设计软件模拟热沉阶梯式排列结构，使激光器发出的光束在快轴上进行合束，这种排列方式不仅结构相对简单，使用的器件较少，而且调试比较方便，有利于高效率的光纤耦合。

首先对两组阶梯热沉上的12只单管半导体激光器输出光束进行快慢轴准直。快轴方向应用平-凸柱透镜进行准直，有效焦距(EFL)为0.64 mm。为了减小像差，对曲面进行了非球面处理，非球面系数为－0.48。慢轴方向应用平-凸非球面柱透镜进行准直，有效焦距(EFL)为42.902 mm，曲面同样也进行了非球面处理，非球面系数为－0.58。图3为在ZEMAX非序列模式下模拟出来的808 nm单管半导体激光器的快慢轴准直光路图。

图3 808 nm单管半导体激光器快慢轴准直光路图Fig.3 The fast-slow axis collimation of 808 nm single-emitter laser diodes

经过准直后，快轴方向的发散半角达到0.78 mrad，快轴方向发光尺寸为0.6 mm。慢轴方向发散半角达到2.34 mrad，慢轴方向发光尺寸为6 mm。单管半导体激光器准直前后在快慢轴方向的光束参数如表1所示。

由表1可知，准直后的半导体激光器在快慢轴方向的发散角很小，可以近似看成是有一定尺寸的平行线光束。但由于慢轴方向的光参数积远大于快轴，所以需要把快轴方向上的光束进行叠加。12只单管半导体激光器按快轴叠加方式排列在两组阶梯热沉上，每组阶梯6只，阶梯的高度是1 mm，热沉的尺寸是6 mm×6 mm×1 mm。为了缩减整个半导体激光器光纤耦合模块的尺寸，两组阶梯热沉平行排列放置。图4为在ZMEAX非序列模式下模拟出来的单管半导体激光器快轴叠加光路图。

表1 准直前后的单管半导体激光器的光束参数Table 1 The beam parameters of the single-emitter laser diodes before and after collimation

图4 单管半导体激光器快轴叠加光路图Fig.4 The fast axis overlying of the single-emitter laser diodes

输出光束在快轴叠加之后的快慢轴发光尺寸为6 mm×6 mm，快慢轴发散半角为0.78 mrad×2.34 mrad，快慢轴的光束参数为:

表2 叠加前后单管半导体激光器的光束参数Table 2 The beam parameters of the single-emitter laser diodes before and after the fast axis overlying

经过快慢轴准直后，其中一组阶梯热沉上的6支单管半导体激光器的输出光束通过一个反射镜反射，使光束在慢轴传播方向上扭转90°，与另一组激光器发出的光束相互垂直。由于单管半导体激光器的光束是单偏振态，所以当其中的一束光经过一个半波片后，两束光的偏振态就变得相互垂直。之后两束光经过偏振耦合镜组进行偏振合束，合束之后的发散角和发光尺寸不变。图5为在ZEMAX非序列模式下给出的快慢轴准直和偏振合束光路图，图6给出了半导体激光器在偏振合束之后的光斑图。

图5 快慢轴准直和偏振合束光路图Fig.5 Fast-slow axis collimation and polarization combined beams

图6 偏振合束后的光斑图Fig.6 The spot diagram after polarization combined beam

偏振合束之后光束的发光尺寸为6 mm(快轴)×6 mm(慢轴)，发散半角为 0.78 mrad(快轴)×2.34 mrad(慢轴)，经偏振合束之后光束快慢轴方向的光参数积为:

对光束聚焦时，聚焦光斑很小。若聚焦时产生球差，就会使聚焦光斑尺寸大于光纤芯径，降低耦合效率，因此聚焦时必须消球差。本文利用ZEMAX光学设计软件对聚焦镜组进行函数优化并确定其焦距为21 mm。透镜的材料选用BK7光学玻璃，选取3片式聚焦耦合镜组为初始结构，优化后的最佳结构如图7所示。

图7 聚焦镜组结构图Fig.7 Focus lens group structure

图8是输出光束的弥散光斑图，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直径。

图8 输出光束弥散光斑图Fig.8 Output beam dispersion facula diagram

图9给出了光纤端面处的光斑图。由图可以看出，光纤端面处的输出功率为116.2 W，光纤耦合的输出功率达到了96.8%。由于光线经过透镜时会有一部分的能量损失，所以输出功率会有所下降。

图9 光纤端面处的光斑图Fig.9 Optical fiber surface spot diagram

最后，图10给出了12只单偏振态、功率10 W、波长808 nm的单管半导体激光器光纤耦合模块的整体光路图。

图10 808 nm半导体激光器光纤耦合模块光路图Fig.10 The 808 nm laser diodes optical fiber coupling module light path diagram

4 结 论

通过ZEMAX光学设计软件模拟仿真单管半导体激光器阶梯排列和偏振合束，设计了12个单偏振态、波长808 nm的单管半导体激光器光纤耦合模块。模块中每个半导体激光器功率是10 W，采用串联方式，将单管半导体激光器输出光束耦合进纤芯直径150 μm、数值孔径0.22的光纤中。模块的输出功率为116.2 W，耦合效率达到96.8%。

［1］Zhu H B，Liu Y，Hao M M，et al.High efficiency module of fiber coupled diode laser［J］.Chin.J.Lumin.( 发光学报)，2011，32(11):1147-1151(in Chinese).

［2］Zhang C Y，Wang L.Development of semiconductor lasers fiber coupling technology［J］.Infrared and Laser Engineering(红外与激光工程)，2010，34(5):59-62(in Chinese).

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