高亮度光纤耦合技术

实验中所使用的 FAC 有效焦距（EFL）为 0.85mm，非球面系数为-0.8， 为椭圆面型；慢轴发散角相对较小，所使用的慢轴准直镜（SAC）面型为 柱面镜，EFLSAC=20mm，具体结构如图 4-6 所示。
4校正球差的准直 在类似于单管合束这种高光束质量的应用中，对快轴准直后的发散角要 求较高，需要更好的校正球差，就必须采用短焦距、大孔径的非球面快 轴准直柱面镜（FAC）对半导体激光器的快轴准直，图 4-4 是采用 FAC 准直的示意图，准直之后快轴发散角理论可以达到 2.2mrad（95%能量） 。
图 1-1 北京凯普林公司的50W/150umBaidu Nhomakorabea纤耦合模块产品
表 1.1 国际上单管光束耦合比较表
1设计方案

首先通过微透镜对每个单管半导体激光器进行快慢轴准直，通过空间合 束使准直后的光束在快轴叠加，再利用偏振合束技术对空间合束后的光 束进行偏振合束，最后利用自行设计的扩束聚焦系统将合束后的光束进 行扩束，聚焦进入光纤，极大地提高光纤耦合模块的亮度。其中芯径为 105μ m、NA0.2 的光纤耦合模块输出功率15.22W，亮度超过 1.4MW/cm2str。

图4-15是聚焦镜组在0°角视场的点列图和波前图，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，波前图中的PV值为0.05个 波长，证明此设计是接近衍射极限的，完全满足使用要求。
7实验结果分析

实验中采用了 4 个输出功率为 5W，波长为 808nm 的单管半导体激光器 ，其输出波长如图4-16所示，中心波长λ 为808.6nm，光谱宽度Δ λ 为 2.6nm（FWHM），单个激光器的 P-I 曲线如图 4-17 所示，在注入电流 为 5.8A 时，工作电压为 1.62V，输出功率达到 5W，斜线效率为 1.05W/A，相应的电光转换效率为 45%。


利用光学设计软件模拟得到准直后的光束发散角如图4-8所示，准直后快 慢轴发散角分别为2.2mrad³4.6mrad（95%能量），相应的光束质量如表 4.1所示。

可以看出慢轴光束BPP小于5.25 mm²mrad，但是比快轴大很多，因此需 要通过在快轴方向叠加光束来使快慢轴方向BPP相等。
谢谢
国内现状


目前国内单管半导体激光器合束技术还不成熟，长春理工大学采用二级 反射镜法进行单波长光纤耦合，200 μ m 光纤输出功率达 12.4 W ， 效 率达 74%。 国外单管半导体激光器合束的输出功率达到几十瓦，最大输 出功率可以达百余瓦。 北京凯普林光电有限公司研发的 976nm半导体激光器光纤耦合模块可以 通过 105μ m 光纤输出功率 50W，为国内的较高水平。
通过上面公式可以看出快轴 方向的光束质量较好，但是 发散角很大，在合束中不利 于单管半导体激光器在快轴 方向的叠加，需要使用小焦 距的透镜对激光器进行准直
3准直系统

图 4-2 给出的是使用直径 400um 石英光纤对快轴发散角为 60°（95% 能量）的半导体激光器准直结果，准直后发散角大于 2°（95%能量）。

采用伽利略结构设计了一套 1.44 倍的柱面扩束系统，如图 4-13 所示 ，由一个凹柱面镜和一个凸柱面镜组成，面型分别为平凹和平凸面型。 r1=13.6mm，r2=19.58mm，慢轴扩束前后的 BPP 如表 4.2 所示。
当半导体激光束通过扩束系统后，慢轴发散角缩小了 1.44 倍，实现了与 快轴发散角相等，而慢轴 BPP 增大了 1.05 倍，这是由于慢轴扩束镜采用 了两片单片镜结构，而且均为平凸面型，无法消除扩束过程中产生像差导 致的。
5空间合束

由于每个 FAC 的高度为 1.5mm，因此使得每两个半导体激光器之间的高 度差为 1.5mm。在 FAC 的装调和固定时会产生指向性误差，通常在 ±0.5mrad 范围内，我们在设计时需要把这个误差考虑进去，因此整个 合束后光源快轴方向的发散角为 3.2mrad。按照上面公式(4-3)计算，快 轴方向上可以排放 4 只半导体激光器，我们在阶梯热沉的每个台阶上各 排列一只单管半导体激光器，每个台阶高度为 1.5mm。每只激光器经过 FAC 和 SAC 准直后，通过一个反射棱镜进行全反射，使 4 只激光器发 出的光束在快轴叠加，如图 4-9 所示。
通过公式(4-9)可以计算出光纤耦合模块的输出亮度，式中B是亮度，P是输 出功率，D是光纤的芯径，θ 是光纤的数值孔径。经过计算，在光纤耦合连续输 出达15.22W时，此模块亮度可以达到1.4MW/cm2-str.

通过Matlab处理在束腰位置得 到相应的光斑轮廓如图4-20所 示，聚焦光斑呈平顶分布。图 4-21为光纤耦合输出的光斑强 度分布图，可以看出通过光纤 传输后，光强分布发生变化， 由平顶分布变成高斯分布，光 强分布更均匀。

快轴合束后的光斑图如4-10所示，叠加后的光束快慢轴尺寸6mm³4.3mm ，发散角为 3.2mrad³4.6mrad，快慢轴的光束质量为
时快轴方向的 BPP 和慢轴方 向的 BPP 最接近，但是此时 快轴发散角为3.2mrad，慢轴 发散角为 4.6mrad，慢轴发 散角是快轴的 1.44 倍，因 此需要设计一套扩束系统， 将慢轴光束进行扩束，使得 快慢轴发散角相等，这样聚 焦后才能在光纤端面获得一 个正方形的光斑.常用的激光 扩束系统分为开普勒扩束结 构和伽利略扩束结构两种。

图中 h 和 θ 分别表示聚焦前光束的半宽和发散半角，h'和 θ '表示经 过聚焦后的光束半宽和发散半角，f 为耦合镜的焦距。我们利用 ZEMAX 光学设计软件对聚焦透镜组进行函数优化并限制焦距为 47mm，透镜的材 料选用融石英 JGS1 光学玻璃，选取三片透镜的初始结构，经过优化， 我们得出了最佳结构，其结构参数在表 4.3 中列出，聚焦镜组的结构如 图 4-14 中所示。
大功率半导体激光器单管合束 及光纤耦合技术
孙旭晴


主要内容：
国内外现状 单管半导体激光器 准直系统 空间合束 扩束系统 实验结果分析


国内外现状
国外现状



德国夫琅禾费研究所采用阶梯镜反射法将两种偏振态的波长为９７５ｎ ｍ的单管半导体激光器进行合束制成光纤耦合模块，１０５μ ｍ光纤输 出功率达１００ Ｗ，耦合效率达８０％。 德国弗朗和菲研究所采用锥形单管半导体激光器制成光纤耦合模块， 50μ m 光纤输出功率达 50W，波长为 975nm，亮度达 16.8MW/cm2-str。 美国Ｏｃｌａｒｏ公司也采用偏振合束 技术 将波 长为９８０ｎｍ的单 管半导体激光器制成光纤耦合模块，１０５μ ｍ光纤输出功率１００Ｗ ，耦合效率为７３％。通过光纤合束器将多个光纤耦合模块进行合束， 功率可达上千瓦。 德国 JENOPTIK 公司采用慢轴整体准直法实现 105 μ m 光纤输出 65 W 的 光 纤 耦 合 模 块 ， 波 长 为 976 nm， 亮 度 可 以 达 到9 MW/cm2-str；
2光束质量的计算

为了获得更高的亮度，我们选取光纤芯径为105μm，NA0.2的光纤，即 dF=105um，θF=0.2。

由于半导体激光合束后的光斑呈方形，且远场分布也呈方形，而光纤的 芯径和 NA 均为轴对称分布，所以聚焦后快慢轴的 BPP 需满足以下条件


通常半导体激光器在快慢轴方向光束质量相差很大，以实验中所用到的 808nm 半导体激光器为例，快轴发光尺寸 1.5um，慢轴发光尺寸100um ，相应的发散角为 60°³11°（95%能量），可以由单管半导体激光器 快慢轴方向的尺寸及发散角得出快慢轴的光束质量为
6扩束系统

1）开普勒扩束结构 开普勒扩束内部结构如图 4-11 所示，属于非成像系统，由具有正光焦 度的目镜和物镜组成，入射光束在目镜和物镜间会存在一个焦点，当入 射激光功率较大时，容易出现空气击穿的现象，因此不适合在大功率激 光系统中应用。

2）伽利略扩束结构 伽利略扩束结构由正光焦度的物镜和负光焦度的目镜组成，因为此结构 为共虚焦点，其轴向间距为正透镜与负透镜焦距绝对值之差，所以整个 光学系统其轴向尺寸较小，结构紧凑，负目镜能够对正物镜进行像差补 偿，使系统形式简单，减少了反射面的光能量损失。另外由于是无焦系 统，可避免发生空气击穿，因此在大功率激光扩束中多采用此结构。