張志軍

摘要：目的：面對(duì)半導(dǎo)體激光合束光源直接應(yīng)用于金屬材料焊接、熔覆、表面合金化等工業(yè)領(lǐng)域的需求市場(chǎng)[1-4]，對(duì)激光的亮度提出了更高要求，方法：本文采用12只出射波長(zhǎng)分別為915、976nm的傳導(dǎo)冷卻半導(dǎo)體激光min-bar陣列為發(fā)光單元，并進(jìn)行了光學(xué)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)和總體組裝最終研制出了460W高亮度光纖耦合模塊。結(jié)果：實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該模塊光纖的連續(xù)輸出功率可達(dá)402W，光纖芯徑僅為200μm，數(shù)值孔徑NA=0.22，相當(dāng)于激光亮2.19MW/（cm2·str）。結(jié)論：此高亮度模塊可以實(shí)現(xiàn)柔性加工，直接應(yīng)用于金屬材料焊接、熔覆、表面合金化等工業(yè)領(lǐng)域，對(duì)于半導(dǎo)體激光器在工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：min-bar陣列；光纖耦合；高亮度；偏振合束

1 引言

目前，半導(dǎo)體激光單元器件功率提高很快，但單個(gè)器件輸出功率較cm-bar仍有較大差距，面對(duì)超高功率cm-bar受制于電源最大電流的限制，一種新型大功率半導(dǎo)體激光mini-bar得以出現(xiàn)并迅速發(fā)展。半導(dǎo)體激光mini-bar陣列，又叫半導(dǎo)體激光短陣列（Diode laser short bars，DLSBs），目前已取得了一定的研究成果。m2k-laser報(bào)道了在微通道冷卻條件下，由5個(gè)發(fā)光單元組成的DLSBs在連續(xù)輸出模式下出光功率可達(dá)到50W，并且每個(gè)發(fā)光單元條寬僅為90μm；OSRAM和DILAS等聯(lián)合研制的填充因子（fill factor）為50%的DLSBs，其出光功率可達(dá)90W，它是由9個(gè)條寬為200微米的發(fā)光單元組成的，其周期為400μm。為了方便應(yīng)用，這些研究單位已經(jīng)利用DLSBs進(jìn)行了光纖耦合，DILAS利用DLSBs作為發(fā)光單元研制成功了從200μm，NA=0.22的光纖出光功率為775W；該模塊僅使用了偏振合束，如果再結(jié)合波長(zhǎng)合束可以更進(jìn)一步提高出光功率。

目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)利用mini-bar進(jìn)行光纖耦合研究的報(bào)道，本文利用亮度較高mini-bar進(jìn)行光纖耦合研究，以此來(lái)得到高亮度的光纖輸出，使半導(dǎo)體激光更加方便地應(yīng)用于金屬材料焊接、熔覆材料加工。

2 設(shè)計(jì)原理

對(duì)于大功率半導(dǎo)體激光器通常使用光參數(shù)積（Beam Parameter Product，BPP）來(lái)衡量半導(dǎo)體光束質(zhì)量的好壞，光參數(shù)積和亮度的定義為[5-6]：

光參數(shù)積 （1）

亮度 （2）

其中w0為光斑束腰半徑，θ0為遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，P為輸出功率。

由公式2可知，目前提高激光束亮度的主要方法：1）保持功率不變的情況下，減小發(fā)光單元的光束質(zhì)量；2）在保持單元光束質(zhì)量不變的情況下，通過(guò)采用空間合束、波長(zhǎng)合束和偏振合束組合技術(shù)提高輸出功率，以達(dá)到提高系統(tǒng)亮度的目的。

實(shí)驗(yàn)采用的mini-bar激光器快軸方向的發(fā)光尺寸為1.5μm，慢軸方向的發(fā)光尺寸為5mm，腔長(zhǎng)為3.6mm，mini-bar由10個(gè)發(fā)光單元組成，每個(gè)發(fā)光單元的尺寸為90μm，發(fā)光周期為500μm，由快慢軸的發(fā)散角為45°×6°（90%能量）得出快慢軸方向的光束質(zhì)量為：

BPPf = 1.5×10-3 mm/2×45×17.5 mrad/2=0.29 mm mrad （3）

BPPs = 5 mm/2×6×17.5 mrad /2=131.25 mm mrad （4）

根據(jù)式3可以看出mini-bar在快軸方向光束質(zhì)量很好，達(dá)到了衍射極限；但是慢軸方向的光束質(zhì)量很差，所以必須進(jìn)行光束整形以減小慢軸方向光參數(shù)積，同時(shí)增加快軸方向的光參數(shù)積，一般采用光束分割重排的方法，常用的方法有棱鏡組、階梯鏡等分割重排的方法。本文采用了LIMO公司生產(chǎn)的光束轉(zhuǎn)換器]（Beam transform system， BTS）和自己設(shè)計(jì)的慢軸準(zhǔn)直鏡（SAC）進(jìn)行光束整形。

FAC是用來(lái)壓縮mini-bar快軸方向的發(fā)散角，其面型是非球面以消除球差。45 °傾斜柱透鏡陣列將每個(gè)發(fā)光單元出射的光束旋轉(zhuǎn)90°。從而減小了慢軸方向BBP值?？紤]到45°傾斜柱透鏡像差、加工精度以及裝調(diào)誤差等因素，快軸發(fā)散角θFA？整形后為8 mrad。

由下式5：

，

（5）

式中ωSA=90 μm為發(fā)光單元寬度，θSA？為準(zhǔn)直后慢軸發(fā)散角

采用普通柱面鏡將慢軸方向發(fā)散角壓縮到和快軸方向發(fā)散角相等，其焦距為fSA'，計(jì)算得fSA'=11.25 mm。準(zhǔn)直后慢軸方向光斑尺寸為ωSA' ：

， （6）

光束整形后慢軸方向和快軸軸方向發(fā)散角相同，均為8 mrad。經(jīng)計(jì)算單個(gè)mini-bar的光參數(shù)積為：

， （7）

對(duì)于一根給定的光纖，能夠耦合進(jìn)光纖的最多mini-bar數(shù)目可以由光纖的光參數(shù)積與準(zhǔn)直后mini-bar的光參數(shù)積的比值確定，計(jì)算方法如下：

（8）

（9）

其中， 和 表示的是快軸和慢軸方向可以耦合進(jìn)的mini-bar數(shù)目， 和 分別是光纖芯徑和全發(fā)散角， 、 和 、 分別是快軸、慢軸方向的準(zhǔn)直光束的束腰半徑和發(fā)散角， 和 為快軸、慢軸方向的填充因子。

從式5、8可以看出單個(gè)mini-bar在快軸方向的BPP值較小，為了增加激光功率，在快軸方向把光束疊加3層使快慢軸方向BPP值接近，該過(guò)程稱為空間復(fù)用。將mini-bar在快方向的間隔設(shè)置為2 mm，此時(shí)這個(gè)方向的光束質(zhì)量為：

， （10）

為了進(jìn)一步提高亮度，然后將應(yīng)用空間合束技術(shù)的3只mini-bar在垂直方向上疊加起來(lái)的模塊作為一組，將3只915nm和3只976nm的傳導(dǎo)冷卻半導(dǎo)體激光min-bar進(jìn)行波長(zhǎng)合束，系統(tǒng)的亮度增加近一倍，然后利用PBS將上下兩層模塊偏振合束，系統(tǒng)的亮度又增加近一倍，理論上合束后光束質(zhì)量不變。endprint

為了進(jìn)一步壓縮激光束的發(fā)散角，我們?cè)谶@里采用了一套2倍的伽利略望遠(yuǎn)球面擴(kuò)束系統(tǒng)，考慮到消像差，則由一個(gè)凹柱面鏡和一個(gè)凸柱面鏡組成，面型分別為平凹和平凸面型。在減小快慢發(fā)散角的同時(shí)會(huì)增加激光的光斑尺寸，但擴(kuò)束過(guò)程中BPP值保持不變。

準(zhǔn)直合束后的激光束形狀為矩形，則光束在對(duì)角線方向的光斑尺寸ω0和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角θ0由式11決定，為了滿足此光斑能夠耦合進(jìn)入芯徑為200μm，數(shù)值孔徑NA=0.22的光纖，聚焦鏡的通光孔徑應(yīng)大于激光光斑尺寸見(jiàn)式12，聚焦鏡的焦距不僅應(yīng)使聚焦后的焦平面光斑直徑小于光纖芯徑Dfiber，還應(yīng)該使聚焦后的光束發(fā)散角小于光纖對(duì)應(yīng)數(shù)值孔徑NA的發(fā)散角見(jiàn)式13。式中D為激光聚焦鏡的口徑，f ？為激光聚焦鏡焦距。

（11）

（12）

（13）

計(jì)算得23.4mm≤f'≤35.3mm，本文選擇f ？=29.1mm。

3. 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

3.1 BTS的安裝

利用駿河精機(jī)的精密六維調(diào)節(jié)架和自行設(shè)計(jì)的夾具將BTS調(diào)節(jié)到合適的位置和角度，然后利用UV膠將其固化在CS熱沉上，在水平方向變成快軸得到準(zhǔn)直，發(fā)散角大小為8 mrad（1/e2）；在垂直方向變成慢軸，光束仍然發(fā)散。

3.2系統(tǒng)組裝及光束參數(shù)測(cè)量

經(jīng)過(guò)精心機(jī)械設(shè)計(jì)和組裝各光學(xué)元件，首先將3個(gè)帶BTS的CS激光器熱沉固定在3層階梯底座上，然后裝調(diào)每個(gè)子模塊的慢軸準(zhǔn)直鏡和反射鏡，在裝調(diào)時(shí)要保證每束光的出射方向相同，然后再將3只915nm和3只976nm的傳導(dǎo)冷卻半導(dǎo)體激光min-bar進(jìn)行波長(zhǎng)合束，然后利用PBS將上下兩層偏振合束；最后利用優(yōu)化設(shè)計(jì)的三片式聚焦鏡將激光耦合進(jìn)入光纖。

利用德國(guó)PRIMES公司生產(chǎn)的FocusMonitor光束質(zhì)量分析儀來(lái)測(cè)量聚焦后光束的參數(shù)，以聚焦鏡焦平面為中心，在6倍瑞利長(zhǎng)度上均分為21個(gè)平面，對(duì)每個(gè)平面激光強(qiáng)度進(jìn)行分析并進(jìn)行高斯擬合，經(jīng)計(jì)算可得出光束的束腰直徑為175.2 μm，發(fā)散角為12.4 °，所以可將它耦合到芯徑200 μm，數(shù)值孔徑NA=0.22的光纖。

經(jīng)測(cè)量在驅(qū)動(dòng)電流為52.5 A時(shí)，此模塊聚焦鏡后功率為460.6 W，光纖出光功率為402 W，耦合的效率為87.2 %，電光轉(zhuǎn)換效率為43.1 %，在30 A時(shí)達(dá)到最大值47.3 %，亮度達(dá)到2.19MW/（cm2·str）。

造成模擬的整個(gè)系統(tǒng)的光-光轉(zhuǎn)換效率約為90%，與實(shí)際整個(gè)系統(tǒng)的光-光轉(zhuǎn)換效率約為80%，差別的主要原因是：

1） BTS裝調(diào)時(shí)有一定的指向性誤差使空間合束處存在漏光現(xiàn)象，造成能量損失；

2） 由于半導(dǎo)體激光器本身輸出光束的偏振度僅為98%及偏振棱鏡的偏振膜透射和反射也不完全，所以偏振合束時(shí)造成能量損失；

3） 偏振合束和波長(zhǎng)合束時(shí)，合束后光斑沒(méi)有完全重疊，整體光斑變大致使耦合效率下降；

4 結(jié)論

本文采用mini-bar進(jìn)行光纖耦合， 實(shí)現(xiàn)芯徑為200μm，數(shù)值孔徑NA為0.2的光纖402W 的高功率輸出，亮度達(dá)到2.19MW/cm2sr，光纖耦合效率超過(guò)85%，可以滿足光纖激光對(duì)光纖耦合半導(dǎo)體激光泵浦模塊高功率高亮度輸出的要求。同時(shí)此模塊可以直接應(yīng)用于金屬材料的切割、焊接和打孔等工業(yè)加工應(yīng)用的領(lǐng)域。對(duì)于半導(dǎo)體激光器在工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)直接應(yīng)用具有重要的意義。

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