曹曦文，高欣，許留洋，夏曉宇，喬忠良，王憲濤，薄報(bào)學(xué)

（長(zhǎng)春理工大學(xué)高功率半導(dǎo)體激光國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022）

高亮度小芯徑半導(dǎo)體激光器光纖耦合設(shè)計(jì)

曹曦文，高欣，許留洋，夏曉宇，喬忠良，王憲濤，薄報(bào)學(xué)

（長(zhǎng)春理工大學(xué)高功率半導(dǎo)體激光國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022）

為了獲得高亮度的半導(dǎo)體激光器，采取6只單管半導(dǎo)體激光器芯片進(jìn)行等光程排列，波長(zhǎng)為940nm，芯片腔長(zhǎng)3.5mm，發(fā)光區(qū)尺寸1μm×30μm，快軸發(fā)散角30°，慢軸發(fā)散角10°，功率為6W。設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)，使合束光束BPPlaser＜BPPfiber，滿足與小芯徑50/125μm多模光纖進(jìn)行高亮度、高效率耦合的要求。光纖輸出亮度達(dá)到44.3MW/（cm2·sr）。

半導(dǎo)體激光器；高亮度；小芯徑；耦合；ZEMAX

半導(dǎo)體激光器具備體積小、效率高、易集成等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于通訊、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域。但大功率的半導(dǎo)體激光器也存在一些固有缺點(diǎn)，如：發(fā)光區(qū)為近線性分布并存在一定的彎曲（發(fā)光區(qū)smile效應(yīng)）；激光在平行結(jié)平面方向的發(fā)散角小于垂直于結(jié)平面的發(fā)散角；慢軸方向表現(xiàn)為非穩(wěn)定多模特性等。這些缺點(diǎn)使激光器的光纖耦合輸出亮度下降、效率降低［1］。2015年，美國(guó)TeraDiode公司將2030W的激光耦合到芯徑為50μm的光纖中，實(shí)現(xiàn)了小芯徑光纖耦合激光器高亮度輸出，達(dá)到1468MW/cm2·sr［2］。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所采用單管合束技術(shù)，將8只808nm的單管半導(dǎo)體激光器進(jìn)行合束，耦合進(jìn)芯徑為200μm、數(shù)值孔徑為0.22的光纖中，輸出功率為33.2W［3］。在半導(dǎo)體激光器所應(yīng)用的激光切割領(lǐng)域中，940nm波長(zhǎng)激光器效果要優(yōu)于808nm激光器，并且相對(duì)于常用的1064nm波長(zhǎng)激光器加工缺陷要小，1064nm波長(zhǎng)激光器會(huì)在切割面產(chǎn)生毛邊［4］。本文將6只940nm波長(zhǎng)、條寬30μm［5］的半導(dǎo)體激光器芯片分別在子午和弧矢方向進(jìn)行準(zhǔn)直，初始快、慢軸發(fā)散角分別為30°（快軸）和10°（慢軸）［5］。采用等光程排列的方式進(jìn)行光束合束，提高了光纖耦合激光器的亮度和功率。

1 激光光纖耦合理論

根據(jù)光學(xué)原理，激光束與光纖耦合必須滿足一系列耦合條件，才能獲得較高的耦合效率。首先，激光入射光束的束腰直徑Din要小于光纖的芯徑Dcore。

其次，光線的最大入射角需要滿足光纖內(nèi)全反射的條件［6］，入射光束發(fā)散角θ/2要小于光纖的臨界角arcsin(NA)。

由此，如果將大功率的激光耦合進(jìn)光纖，則入射光束的光束參數(shù)積（BPP）要小于耦合光纖的BPP。

激光光束參數(shù)積表達(dá)式為：

光纖自有的光參數(shù)積為［7］：

式中，θ為發(fā)散角，Din為光束束腰直徑，Dcore為光纖芯徑，NA為光纖數(shù)值孔徑，如圖（1）所示。

圖1 光纖耦合條件

2 多芯片半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)

2.1 柱透鏡準(zhǔn)直

半導(dǎo)體激光器單芯片發(fā)光區(qū)尺寸1μm×30μm，快軸發(fā)散角30°，慢軸發(fā)散角10°，光參數(shù)積快軸BPPfast=0.13mm·mrad，慢軸BPPslow=1.3mm·mrad。選取兩個(gè)柱面透鏡，用來(lái)分別準(zhǔn)直激光的快、慢軸方向。當(dāng)光線經(jīng)過(guò)第一面柱透鏡時(shí)，垂直于結(jié)平面方向的光線被準(zhǔn)直成近平行光束［8］。同理，在平行于結(jié)平面方向，由于第一面柱透鏡在慢軸方向上并沒(méi)有曲率，所以光線經(jīng)過(guò)第一面柱透鏡相當(dāng)于透射過(guò)玻璃介質(zhì)，當(dāng)光線通過(guò)第二面柱透鏡后，慢軸方向的光線被準(zhǔn)直為近平行光束。芯片快軸方向發(fā)散角大，為提高準(zhǔn)直效果，選取折射率較大的透鏡材料N-LAF21，折射率n=1.788，透鏡焦距f的計(jì)算方法：

式中，θ為準(zhǔn)直前的發(fā)散角，θ′為準(zhǔn)直后的發(fā)散角，W芯片發(fā)光尺寸，W′為準(zhǔn)直后的光斑尺寸。

準(zhǔn)直透鏡的設(shè)計(jì)要考慮后來(lái)的聚焦條件，準(zhǔn)直后的近平行光束聚焦后要在快軸與慢軸方向同時(shí)交于一點(diǎn)（耦合光斑），合束后快軸光斑尺寸約等于慢軸的光斑尺寸。經(jīng)計(jì)算，取焦距f=0.7mm，ZEMAX優(yōu)化后得出最佳厚度d=0.4mm。慢軸方向選取普通透鏡材料BK7，折射率n=1.51，焦距為10mm，厚度為1.5mm，如圖（2）所示。

圖2 準(zhǔn)直及光斑

2.2 多芯片光源光束合束與會(huì)聚耦合

單芯片光斑半徑半高度經(jīng)快軸準(zhǔn)直為0.2mm，經(jīng)過(guò)慢軸準(zhǔn)直得到0.8mm。為提高光纖耦合輸出功率與亮度，合束結(jié)構(gòu)采用空間合束和偏振合束兩種方式進(jìn)行。首先，采用3只以上規(guī)格的芯片準(zhǔn)直后光束疊加，高度0.5mm，進(jìn)行激光空間合束，水平方向間距3mm。為達(dá)到更好的聚焦效果，設(shè)置光軸間距3mm，使光源到聚焦鏡的距離為等光程。非等光程會(huì)對(duì)慢軸發(fā)散角有一定影響，以至于影響到光斑尺寸。經(jīng)過(guò)反射鏡疊加后的光斑高度Wy=0.75mm，而慢軸方向光斑尺寸基本保持不變，測(cè)得Wx= 0.85mm。準(zhǔn)直后，光參數(shù)積BPPfast=0.136mm·mrad，BPPslow=1.32mm·mrad，合束后BPPfast=0.51mm· mrad，BPPslow=1.32mm·mrad。之后，在偏振合束下設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖（3）所示，最終不改變光斑尺寸，而輸出功率和亮度提高一倍。由于本文的系統(tǒng)要滿足小芯徑50μm光纖的耦合［9］，準(zhǔn)直后的慢軸發(fā)散角壓縮至1.4mrad，以至于光斑對(duì)比圖沒(méi)有一般的耦合系統(tǒng)明顯。圖（4）是光纖出射端50mm后的光斑對(duì)比圖，探測(cè)器半徑為5mm?？梢?jiàn)，等光程系統(tǒng)模擬光斑直徑在5mm之內(nèi)，非等光程系統(tǒng)光斑直徑超出5mm。

圖3 高亮度光纖耦合半導(dǎo)體激光器

圖4 光纖50mm后耦合光斑對(duì)比圖

聚焦耦合采用非球面透鏡，選取鏡片材料為N-LAF21，焦距計(jì)算滿足：

其中，h為光斑尺寸，θ為光束發(fā)散角，θmax為光纖（規(guī)格：NA=0.22）可接受的最大入射角12.5°，d為光纖芯徑。經(jīng)計(jì)算，取焦距f=9.45mm，透鏡厚度d=1.45mm，優(yōu)化得出聚焦鏡非球面度為-0.69。模擬會(huì)聚光斑直徑為38.5μm，出射光束發(fā)散角為6.55°，光纖出射光束NA=0.114。

3 輸出亮度

半導(dǎo)體激光器光纖耦合的輸出亮度為：

式中，D為光纖纖芯直徑50μm，P為輸出功率。耦合過(guò)程中，偏振合束損失少量能量，也存在透鏡損失、光纖損失等現(xiàn)象［10］。使用偏振光線追記，測(cè)得輸出功率35.5W，耦合效率為98.6%，如圖（5）所示。計(jì)算得出設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體激光器光纖耦合輸出亮度為44.3MW/（cm2·sr）。

圖5 角度與光斑照度圖

4 結(jié)論

本文采用ZEMAX模擬了基于30μm條寬、功率6W的940nm波長(zhǎng)激光器芯片的高亮度光纖耦合激光器，分別采用空間合束和偏振合束方法進(jìn)行聚焦耦合，使光纖耦合輸出的光束亮度達(dá)到44.3MW/（cm2·sr）。

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［9］曹曦文.小芯徑（50μm）高亮度半導(dǎo)體激光器的光纖耦合設(shè)計(jì)［D］.長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2017.

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Design on High-brightness Semiconductor Lasers with Little Small Fiber Output

CAO Xiwen，GAO Xin，XU Liuyang，XIA Xiaoyu，QIAO Zhongliang，WANG Xiantao，BO Baoxue
（State Key Laboratory of High Power Semiconductor Laser，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

To obtain high brightness semiconductor lasers with fiber coupling output，take 6 single-emitter laser diodes with λ=940nm，cavity length 3.5mm，emitter size of 1μm×30μm，fast axis divergence angle of 30°，slow axis divergence angle of 10°and laser power of 6W，are assembled，based on equal optical path design.Designing optical system，make simulation on high brightness semiconductor lasers with 50/125μm multimode fiber output has been achieved according to fiber coupling rule ofBPPlaser＜BPPfiber，the laser brightness of fiber output can be 44.3MW/（cm2·sr）.

semiconductor laser；high-brightness；small core；coupling；ZEMAX

TP394.1；TH691.9

A

1672-9870（2017）01-0007-03

2016-09-05

國(guó)家自然科學(xué)基金（61176048，61177019，61308051）；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃（20150203007GX，20130206016GX）；中物院高能激光重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（2014HEL01）資助項(xiàng)目

曹曦文（1991-），女，碩士研究生，E-mail：1490117740@qq.com

薄報(bào)學(xué)（1964-），男，研究員，博士生導(dǎo)師，E-mail：bbx@.cust.edu.cn