基于Mini-bar的千瓦级大功率激光器光纤耦合

顾华欣，高欣，张晓磊，徐雨萌，薄报学

（长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室，长春 130022）

半导体激光器具备体积小、效率高、易集成等优点，广泛用于通讯、医疗、军事等领域［1-3］。由于半导体激光器自身固有结构的限制，输出为椭圆形光斑，其光束快轴方向上的发散角像差较大，所以存在很大的像散，光束质量较差，快慢轴方向的能量分布也不均匀，所以通过使用光纤耦合的方法来改善、解决以上问题从而提高光束的质量［4］。所以对半导体激光器尤其是大功率半导体激光器的光纤耦合研究具有非常重要的应用价值。

目前，在商业市场主要有三种类型的大功率激光二极管封装芯片：cm-bar，Mini-bar和单管。其中cm-bar的发光点个数较多，每个发光单元的输出功率低，而且cm-bar的smile效应增加了快轴准直镜的离轴相差，使得cm-bar上的各个发光点出现指向误差，大大降低了光束质量和光纤耦合效率，进一步降低了亮度［5］。相比较cm-bar在单管的光纤耦合中，单发光点亮度更高、结构散热更好、更紧凑等优点，每个单管采取分散排列结构，提高单管激光器的亮度。对于大功率半导体激光器的研制，由于单管在准直时是分别对快轴和慢轴进行准直，这样的方法大大增加了工作量。采用的Mini-bar光纤耦合是一种区别于cm-bar和单管的新颖方案，它是一种特殊设计的、具有较少发光点的激光二极管线阵，为了克服cm-bar存在的问题，增加发光单元之间的间距减小热串扰，提高激光器稳定性和寿命，腔长也增加至3.5-5mm，输出功率也得到了提高，同时又保持了单管光纤耦合的优点，可以得到高质量的慢轴方向光束［3］。

针对基于Mini-bar的半导体激光光纤耦合模块进行研究，采用36只输出功率为80W的Mini-bar半导体激光器组成两列空间叠阵作为耦合光源，耦合进NA0.22、芯径300mm的目标光纤中，系统最终输出功率达到2849.3W，光纤耦合效率大于98%。

1 激光光纤耦合原理

半导体激光器有源区比较薄，垂直有源区方向容易产生衍射效应，通常将与p-n结互相垂直的方向定义为快轴，快轴方向光束发散严重，通常角度能够达到15°～35°；定义慢轴为与p-n结方向一致，慢轴方向的发散光角度一般为6°～15°。

在二极管激光光纤耦合研究中，评估激光二极管光束质量最方便的方法是描述光束参数乘积（BPP），其定义为θ*W/4，其中θ是远场发散角，W是光斑尺寸［5］。采用的激光光源包括3个半导体激光叠阵模块，由36只输出为80W的Mini-bar半导体激光器组成。采用的Mini-bar芯片具有4个发光单元，每个发光单元的发光尺寸为90mm（慢轴方向）×1.5mm（快轴方向），慢轴发散角为8°，快轴发散角为35°，发光单元周期为1mm。由光参数积的定义可以分别计算出单个Mini-bar快轴、慢轴BPP：

泵浦源的高功率和高亮度能决定光纤激光器的输出功率，所以要求所设计的模块同时具有很高能量输出和亮度，通常选用输出功率较大的半导体二极管同时耦合进较细芯径的光纤中。选用光纤直径300μm，数值孔径0.22的光纤，即ω=300μm，θ=12.7°，所以光纤的BPP为：

激光的光纤耦合需要满足以下条件：

（1）入射的光束直径小于光纤芯径；

（2）光束的最大入射角小于光纤数值孔径NA［8］。

为了将准直光束高效率的耦合到光纤中，准直光束快轴和慢轴的BPP都应小于光纤BPP，由图1可得：

聚焦前后快轴的BPPf的和慢轴的BPPs满足BPPfiber≥BPPf+BPPs时，光纤耦合的效率较高，损失的亮度较少。由以上可以得出快、慢轴BPP应小于15.6mm·mrad。

图1 光参数积示意图

2 耦合设计及模拟

设计采用36只输出功率为80W的Mini-bar芯片，首先在快轴方向上组成三列叠阵作为耦合光源，然后通过快慢轴准直镜准直后得到发散较小的准直光束，最后通过合束、聚焦耦合进入300μm芯径的光纤中，实现大功率激光的高亮度光纤耦合输出。

2.1 Mini-bar快、慢轴准直

通常的半导体激光光束准直包括圆柱透镜准直、非球面柱透镜准直、二元光学等方法。二元光学结构较为复杂，且由于半导体激光器出射光束发散角较大，对准直透镜的准直度要求高，综合比较选择非球面准直柱透镜进行快轴准直，采用柱面透镜进行慢轴准直［9］。

首先进行快轴准直，采用有效焦距为0.67mm的非球面柱面透镜作为快轴准直透镜（FAC）。通过使用该快轴准直镜（FAC）后，快轴的发散半角为1.25mrad，准直光束尺寸为0.38mm，BPP为0.24mm·mrad。慢轴准直采用的是有效焦距为6.7mm的平凸柱面微透镜列阵进行慢轴准直（SAC），其原理是利用透镜列阵增加每个发光单元的光束尺寸以达到较小发散角的目的。SAC后慢轴的发散半角为6.73mrad，发光尺寸为1.94mm，BPP为13.06mm·mrad。快、慢轴准直后的光束参数见表1。

表1 准直后光束参数

从上述参数可知，单Mini-bar慢轴BPP远远大于快轴BPP，所以可以在快轴方向采用叠阵方法使两轴上的BPP接近，以达到提高光纤耦合功率、亮度的目标。由上述公式（4）可知快轴最大BPP值为15.6mrad，巴条间距为1.8mm，由此可以得出快轴可叠加巴条数量为12只。图2为一组半导体激光器叠阵通过准直系统后模拟光路图及准直后的输出光斑图，快轴叠加后，发光半尺寸10.36mm，发散半角1.25mrad，BPP为12.95mrad，单巴条快轴方向光斑尺寸为0.48mm。

图2 快轴叠加后光束

2.2 空间复用

如图2（b）所示，巴条间间隔1.8mm，为了消除垂直方向上的暗区，可以利用发光点间的暗区填充两个二极管激光器阵列的光束，几乎可以保持光束质量不变，采用空间复用的方法实现此过程的设计，基本原理如图3所示［6］。复用三个二极管激光器阵列后的光束如图4所示。

图3 空间复用

图4 垂直方向叠加

图5给出了三列半导体激光器叠阵通过准直系统后的模拟光路图。叠加后快轴发光半尺寸为10.8mm，发散半角1.25mrad，BPP为13.5mrad；慢轴发光半尺寸2mm，发散半角6.73mrad，BPP为13.47mrad。可以看出此时快、慢轴的BPP基本一致。

图5 叠加后快慢轴光路图

2.3 扩束系统

在激光切割或激光焊接等应用中，小的光斑可以获得更高的能量密度。为了有效减小聚焦光斑，快轴和慢轴方向的光束发散角度应接近相等以减小快、慢轴方向的焦斑离散。为此，需要对合束光束慢轴方向进行扩束设计［9］。

扩束采用一个负透镜和一个正透镜组成的伽利略扩束系统（如图6）。理论上，当激光光束扩大N倍时，其发散角也被相应的压缩N倍。扩束前快轴发光半尺寸10.8mm，慢轴发光半尺寸2mm，为了使快、慢轴发散角接近相等，将慢轴发光半尺寸扩大5倍为10mm，发散角也相应的压缩5倍为1.35mrad。扩束前、后光束参数如表2，扩束后输出光斑如图7所示。

图6 扩束系统

表2 扩束前后光束参数

由表2可以看出扩束前后系统的光参数积稍有增加，理论上光束经过扩束镜后光束尺寸和发散角分别实现5倍的扩大、压缩，但是由于实际的扩束系统存在光学像差造成BPP的少许增加。

图7 扩束后光束

2.4 聚焦系统

由几何光学可知聚焦时如果产生像差，聚焦光斑会远远大于理想聚焦光斑。这样则很难保证聚焦后光斑满足耦合要求，会降低耦合效率，所以光束聚焦时必须进行消像差，激光光束聚焦通常有以下三种方式：垂直柱透镜聚焦镜组、三片式聚焦镜组和非球面聚焦透镜。其中垂直柱透镜聚焦得到的光斑像差较大，三片式聚焦镜组涉及的元件数量较多，为了简化聚焦结构，聚焦系统选择单一的非球面聚焦透镜，根据光纤耦合的条件要求其焦距需满足：

其中，h为光斑尺寸，θ为光束发散角，θmax为光纤（规格：NA=0.22）可接受的最大入射角12.5°，d为光纤芯径经计算，焦距范围为53mm～112mm，选择焦距f=71mm非球面透镜进行聚焦。

事实上本次设计中，在聚焦镜前扩束镜后的慢轴方向上插入有效焦距为1000mm的柱透镜，因为快慢轴聚焦点有些许差距，在慢轴方向插入近平板玻璃的柱透镜调整慢轴方向上的焦距，使快慢轴聚焦在同一点，光斑更好的耦合进光纤内。

半导体激光器光纤耦合的输出亮度为：

式中，D为光纤纤芯直径300μm，P为输出功率，NA为0.22。

聚焦后的光斑如图8（b）所示，由图可以看到光斑几乎能够完全的进入到光纤内，耦合进光纤后得到输出光斑如图9，此时输出功率为2849.3W，亮度达到耦合效率可以达到亮度可达26.51MW/（cm2·sr），耦合效率达到98.93%。作为对比，图8（a）给出合束光束耦合进200mm光纤的聚焦光斑图，可以达到95%的耦合效率，亮度可达57.36MW/（cm2·sr）。

图8 聚焦光斑

图9 光纤输出光斑

激光器耦合总体结构如图10：

图10 激光器耦合系统

3 结论

针对Mini-bar叠阵的光纤耦合结构进行了研究，设计出千瓦级大功率LD光纤耦合模块。利用ZEMAX仿真优化模块光学系统对Mini-bar叠阵进行高精度光束准直、空间复用、光束扩展、聚焦耦合将36个二极管激光器的输出光束高效耦合到芯直径为300μm，NA为0.22的光纤中。设计结果表明，光纤输出功率可达2849.3W，光纤耦合效率达到98.9%，亮度为26.51MW/（cm2·sr）。该光纤耦合系统可应用于激光焊接、切割等许多领域。

参考文献

［1］ 陈赫男，邹永刚，徐莉，等.高功率单管半导体激光器光纤耦合技术［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2014，37（1）：6-9.

［2］ 曹曦文，高欣，徐留洋，等.高亮度小芯径半导体激光器光纤耦和设计［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2017，40（1）：6-9.

［3］ 杜洋，高欣，许留洋，等.基于mini-bar的千瓦级光纤耦合模块［J］.发光学报，2014，33（11）：1359-1364.

［4］ 付喜宏，彭航宇，王彪.应用于金属焊接的光纤耦合输出2kW半导体激光光源［J］.激光杂志，2014，35（12）：68-71.

［5］ 彭航宇，李鑫，王彪.基于Mini－Bar的半导体激光光纤耦合研究［J］.激光杂志，2015，36（8）：14-17.

［6］ Wu Hualing，Guo Linhui，Yu Junhong，et al.Design of a k W-output fiber coupled diode laser system［C］.Pro.of SPIE，2015（967112）：1-6.

［7］ Joerg Malchus，Volker Krause，Arnd Koesters，et al.A 25kW fiber-coupled diode laser for pumping applications［C］.Pro.of SPIE，2014，89650B：1-10.

［8］ 刘友强，曹银花，李景，等.激光加工用5KW光纤耦合半导体激光器［J］.光学精密工程，2015，23（5）：1280-1287.

［9］ 黄志华.基于多巴条半导体激光器的光束整形和光纤耦合技术研究［D］.中国科学院大学，2014.

［10］ Yu Junhong，Guo Linhui，Wu Hualing，et al.High brightness laser-diode device emitting 500W from a 200 μm/NA0.22 f i ber［J］.Optics&Laser Technology，2016（80）：92-97.