基于楔形整形镜对半导体激光的光纤耦合

郭照师， 秦文斌*， 李 景， 刘友强， 曹银花， 孟 娇， 关娇阳， 潘建宇， 兰 天， 李庆轩， 王智勇

(1． 北京工业大学材料与制造学部 先进半导体光电技术研究所， 北京 100124； 2． 中国电子科技集团公司第五十三研究所， 天津 300308)

1 引 言

半导体激光器具有高亮度、高功率、结构紧凑和高电光转换效率等优点，因此被广泛地应用于材料加工、生物医疗和固体激光器泵浦源等领域[1-3]。然而，对于典型的半导体激光器来说，由于其本身的特殊结构，快慢轴两个方向的发散角和光束质量是不对称的。快轴方向的发散角在60°～80°，其光束质量接近于衍射极限；慢轴方向的发散角在6°～15°，其光束质量远远大于衍射极限[4-7]。为了在各种不同应用领域中获得高功率、高光束质量的激光，需要对光束进行整形，光束整形不仅能够改善激光的光束质量，也能够获得更高的光纤耦合效率[8-14]。

2011年，Seyed等[15]利用“反光条纹镜”和一对变形棱镜填充激光束的无光区并压缩快轴方向的光斑高度，使用“V型堆栈镜片”匀化光束质量，模拟实现1 kW的激光耦合进芯径550 μm、NA=0.22的光纤中，输出激光束的强度为3.5×105W/cm2。2015年，余俊宏等[16]使用两个45°平行四边形棱镜，激光束经过两次全内反射被切割为两部分，再通过棱镜重新排列，实现了快慢轴光束的匀化，最终将16个激光bar耦合进光纤中，实现光纤耦合效率70%，输出功率440 W，激光亮度达到36.2 MW(sr·cm2)。

本文研究了楔形整形透镜在光纤耦合系统中对光束整形效果和耦合效率的影响。实验测量激光器14～19号发光单元的指向偏差角度(偏向角)在2 mrad左右，通过对楔形整形透镜的改进，将修正角2.1 mrad引入到楔形整形镜片中。ZEMAX模拟与实验验证均获得了较好的整形效果，激光束在快、慢轴方向的光束参数积(BPPs)分别为7.25 mm·mrad和5.05 mm·mrad。将单bar整形并聚焦后的激光束耦合进芯径200 μm、NA=0.2的光纤中，在注入电流60 A 时输出功率为53 W，耦合效率为87%，比楔形整形透镜改进前提高了7%。

2 光学设计

2.1 楔形整形镜设计

在实验中发现，bar条封装过程中引起的smile效应[17-18]会导致发光单元指向发生变化从而产生偏向角，而快轴准直镜(FAC)的安装精度以及光束转化器(BTS)对光束的旋转都会进一步放大偏向角度，最终影响光束整形效果和光纤耦合效率[19]。本文选用的半导体光源为808 nm的cm-bar，发光单元个数19个，发光单元间距500 μm。实验中使用狭缝和CCD对bar条的19个发光单元偏向角进行了测量。19个发光单元的激光束依次通过狭缝，并在1 m处的位置利用CCD采集每束激光光斑在CCD中的相对位置，以1号发光单元的位置为基准，计算出2～19号发光单元的偏向角。图1是实验测出的bar条每个发光单元的偏向角分布，2～13号发光单元的偏向角都在0.3～0.6 mrad范围内，但是14～19号发光单元的偏向角在2 mrad左右，偏离较为严重，需要对其修正。针对上述问题，本文提出了在整形系统的楔形镜片中引入修正角以改善发光单元的指向偏差。

图1 bar条各发光单元偏向角分布

如图2(a),对于常规楔形镜来说，镜片输入面与输出面相平行以保证激光束经过楔形镜后只改变水平方向的位移而不影响水平角度的偏差，当入射光不是平行入射时，出射光也会以相同的角度出射。对于图2(b)中的楔形镜，引入修正角后，光束通过修正角度后的镜片，出射光的出射角度发生变化，这样就可以将14～19号发光单元的偏向角修正为平行光出射。

根据折射定律有：

sinI1=nsinI2，

(1)

nsinI3=sinI4，

(2)

I1、I2分别是图2(a)楔形镜输入面的入射角与折

图2 (a)常规楔形整形镜；(b)修正角度后的楔形整形镜。

射角，I3、I4是输出面的入射角与折射角，α是半导体激光器发光单元的偏向角，n是镜片的折射率，β是楔形镜的角度。根据几何关系有：

I1=I4=β-90°+α，

(3)

I2=I3，

(4)

对于修正后的楔形棱镜的出射面，根据折射定律：

nsinI′3=sinI′4，

(5)

根据几何关系有：

I′3=I3-i，

(6)

I′4=β′-90°=β-i-90°，

(7)

nsin(I3-i)=sin(β-i-90°)，

(8)

(9)

其中I′3、I′4分别是图2(b)楔形整形镜输出面的入射角与折射角，β′是镜片的角度，i是镜片的修正角。β=123°31′，14～19号发光点的偏向角α≈2 mrad，镜片的折射率n≈1.57。联立公式(8)和(9)可以求出楔形整形镜的修正角度i=7.2′=2.1 mrad。

2.2 光纤耦合系统设计

图3为光纤耦合系统模型，系统中包括一个半导体激光器bar、准直系统、整形系统(整形1和整形2)、聚焦系统和一个芯径200 μm、NA=0.2的光纤。在光纤耦合系统模型中，准直系统采用快慢轴准直镜(FAC和SAC)压缩快慢轴方向的发散角，同时利用光束转换器(BTS)进一步匀化半导体光源快慢轴光束质量。其作用是将通过FAC后的激光束旋转90°，即半导体激光器的快慢轴方向相互转换。半导体激光快慢轴方向光束质量相差较大，在光纤耦合系统中常采用切割、重排[20]的整形方式，使快慢轴两个方向BPP值相近。快、慢轴方向的光束参数积分别用Kfast和Kslow来表示：

Kfast=ωfast×θfast，

(10)

Kslow=ωslow×θslow，

(11)

再根据光束快慢轴光束质量均匀化条件有：

(12)

其中，ωfast、ωslow分别是光束快慢轴的光斑宽度，θfast、θslow分别是光束快慢轴发散角，M为分段的数量。

图3 光纤耦合系统模型

本设计首先利用第一整形系统(整形1)将bar激光束切割为3段，再通过第二整形系统(整形2)对3段激光束重排。整形1和整形2镜片结构相同，两者互为垂直放置。整形1、2均由两片楔形镜片和一片矩形玻璃平板组成，利用楔形镜片对光束产生的位移和镜片摆放位置的不同，实现切割和重排的目的。聚焦系统由焦距为25 mm的三片式镜片组合,通过聚焦镜对整形后的光束聚焦获得焦点光斑。在光纤耦合系统中根据每个发光单元的偏向角数据建立实际的光源模型，同时在整形2中分别使用常规楔形整形镜片与修正后的楔形整形镜片，模拟出实际的光斑图像。

如图4(a)所示，发光单元偏向角过大会恶化激光束的整形效果，且随着传输距离的增大越来越明显，同时会严重影响焦点光斑的大小。图4(b)是光斑在整形后经25 mm聚焦镜后的聚焦光斑，光斑尺寸为182 μm×106 μm(包含90%能量)，获得模拟耦合效率为91.47%。如图4(c),利用修正的楔形整形镜对发光单元的偏向角修正后获得了较为理想的整形效果。图4(d)是在偏向角修正后通过25 mm聚焦镜后的焦点光斑，大小为153 μm×106 μm(包含90%能量)，很明显比修正角度前的聚焦光斑小，耦合效率为98.6%，比修正前高了7.13%。

图4 楔形整形镜修正角度前的整形光斑(a)和焦点光斑(b)；楔形整形镜修正角度后的整形光斑(c)和焦点光斑(d)。

3 结果与讨论

图5为光纤耦合实验装置，激光光源选用的商用cm-bar，采用CS封装，输出功率60 W，具体参数如表1所示。实验中，在光束整形系统的整形2中分别使用常规楔形整形镜和引入修正角后的楔形整形镜对光束进行整形，对比整形前后的光斑图像及焦点光斑图像，并通过光纤耦合实验对比引入修正角后对光纤耦合效率的改善效果。如图6(a)红框标注区域，在光纤耦合实验中采用常规楔形整形镜片，光束整形效果较差，并且光斑偏移量会随着传输距离的增加而变大，整形后快轴光束质量8.75 mm·mrad，慢轴光束质量5.25 mm·mrad。如图6(b)所示，聚焦后的焦点光斑大小为153 μm×138 μm(包含90%能量)，在注入电流60 A时，单bar的耦合效率为80%，稳定输出功率48 W，对应电-光转化效率42.6%。

图5 光纤耦合实验装置图

表1 激光器参数

如图7(a)所示，光束整形系统中采用修正后的楔形镜片整形后的3段光斑没有发生偏离现象，获得快轴光束质量7.25 mm·mrad，慢轴光束质量5.05 mm·mrad。如图7(b)，获得的焦点光斑大小为148 μm×135 μm(包含90%能量)，在注入电流60 A时，获得稳定输出功率53 W，耦合效率87%，对应电-光转化效率47%。

通过对楔形镜片的修正，整形后的光斑快慢轴光束质量均有改善，实际光纤耦合效率也有较大提升。虽然相对于模拟值98.6%仍然偏低，这主要是由于模拟时的参数均以90%能量的标准取值，导致了部分能量的边缘光斑因超出设计范围无法进入光学系统或者不满足传输角度而无法耦合进光纤中。

图6 楔形镜片修正前的光束整形光斑(a)和焦点光斑(b)

图7 楔形镜片修正后的光束整形光斑(a)和焦点光斑(b)

4 结 论

本文针对半导体激光bar发光单元指向偏离问题，对常规楔形整形镜片进行修正，获得了较好的整形效果和较高的耦合效率。通过实验测量出每个发光单元的偏向角度，针对偏离角度在2 mrad左右的发光点进行修正，并通过公式计算出镜片修正角度为2.1 mrad。在光纤耦合实验中，利用修正后的楔形整形镜片对激光束整形，并将单个bar激光束耦合进芯径200 μm、NA=0.2的光纤中，获得稳定输出功率53 W，对应电-光转化效率47%，耦合效率为87%，比使用常规的楔形整形镜片提高了7%。本研究很好地实现了光纤耦合系统的高效率输出，为半导体激光器的光束整形设计及获得更高的光-光转换效率提供了一定的参考。