nLIGHT, Kirk Price, Scott Karlsen, Paul Leisher, Robert Martinsen

摘要

文章將就nlight公司不斷發(fā)展的高亮度激光二極管模塊作一個(gè)報(bào)告。這些模塊以nlight公司PearlTM產(chǎn)品平臺(tái)為基礎(chǔ)，在輸出功率、亮度、波長(zhǎng)穩(wěn)定、波長(zhǎng)性能方面顯示突出優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)基于十四個(gè)單管激光器，采用空間光聚焦方式將激光耦合到光纖芯徑為105µm，數(shù)值孔徑NA小于0.14的光纖。我們目前實(shí)現(xiàn)了超過(guò)100W的光功率在波長(zhǎng)為9xx nm的二極管亮度超過(guò)了20MW/cm2-str,運(yùn)行效率大約50%。另外結(jié)果也顯示了超過(guò)70W的光耦合在8xx nm。也展示了在波長(zhǎng)14xx nm和更長(zhǎng)的波長(zhǎng)有卓越的紀(jì)錄的光纖耦合技術(shù)，其中功率超過(guò)15W，7.5mm-mrad的光束質(zhì)量。這些高亮度，高效率，高波長(zhǎng)穩(wěn)定性的成果顯示了下一代固體激光和光纖激光器所需的泵浦技術(shù)。

關(guān)鍵詞：光纖耦合二極管激光器、高亮度。

 1.介紹

高亮度光纖耦合二極管激光器打開(kāi)了二極管激光器在工業(yè)和泵浦應(yīng)用上新的應(yīng)用領(lǐng)域。nLIGHT公司已展示了具有優(yōu)越亮度的設(shè)備應(yīng)用在各種工業(yè)和泵浦應(yīng)用中。

在 Photonics West 2009 展會(huì)上 nLIGHT公司介紹了高亮度光纖耦合激光器二極管模塊，展示了超過(guò)100W光功率耦合進(jìn)105µm，0.15 NA的光纖，相對(duì)應(yīng)的亮度超過(guò)20 MW/cm2-str1。本文著重介紹了這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用在泵浦模塊從79x 到15xx nm。一如往常，這些設(shè)備都是基于nLIGHT公司高功率大面積單管結(jié)構(gòu)的專(zhuān)利，即自由空間組合的一個(gè)簡(jiǎn)潔和廉價(jià)的方法2。這種方法保留了激光二極管的功率和高亮度，造就具有最佳亮度和效率的設(shè)備。

2.高亮度泵浦激光器應(yīng)用

對(duì)高亮度的激光模塊結(jié)構(gòu)發(fā)展的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)。首先，平臺(tái)和工具必須與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，使其適用于整個(gè)頻譜激光二極管。其次，光設(shè)計(jì)的效率應(yīng)盡可能高。最后，激光二極管模塊的可靠性，必須充分被評(píng)估和驗(yàn)證。

nLIGHT公司的高亮度激光二極管模塊最初是為泵浦光纖激光器而研制。更高亮度泵浦源能夠使更高功率的光纖激光器通過(guò)其性能空間地耦合更大數(shù)量的泵浦和更有效的將它們耦合到光纖中。脈沖光纖激光器也需要高亮度泵浦模塊，以減少有源光纖長(zhǎng)度和相應(yīng)光纖的非線性。在脈沖光纖激光器設(shè)法處理好非線性以使激光器脈沖長(zhǎng)度更短和峰值功率更高。

 過(guò)去幾年我們致力于解決泵浦應(yīng)用包括以下幾點(diǎn)：

  .Tm-doped 光纖激光器波長(zhǎng)為795nm的泵浦應(yīng)用

  .Er-doped 光纖激光器波長(zhǎng)為1532nm的泵浦應(yīng)用

  .Yb-doped 光纖激光器波長(zhǎng)穩(wěn)定裝置976nm的泵浦應(yīng)用

  .窄光譜線的YAG (885 nm), Er:YAG (1532 nm), 和 Ho:YAG (1910 nm)的固態(tài)激光器的泵浦應(yīng)用。

除泵浦應(yīng)用外，高亮度的激光二極管模塊可供選擇的應(yīng)用還有消費(fèi)，材料加工，醫(yī)療領(lǐng)域等。在材料加工領(lǐng)域的目標(biāo)是用直接二極管激光器來(lái)代替燈泵固態(tài)激光器，對(duì)于直接二極管激光系統(tǒng)相應(yīng)效率大約從2％（燈泵浦裝置）提高到超過(guò)40%。圖1顯示了半導(dǎo)體直接激光二極管的應(yīng)用范圍，從79x為19XXnm。

泵浦激光光纖耦合的電光轉(zhuǎn)換工作效率

直接二極管激光器模塊具有顯著效率，其效率大于50%在對(duì)于波長(zhǎng)從79x到9xxnm之間制造的直接二極管激光器模塊。高效率的光纖耦合激光設(shè)備在幾個(gè)方面提高模塊的性能。首先，高光光轉(zhuǎn)換效率可以減少二極管激光器數(shù)量，從而可以降低模塊成本。二極管激光器數(shù)量的減少也可以形成一個(gè)較小的封裝尺寸，用更少的二極管和光學(xué)器件達(dá)到一定的光功率。該系統(tǒng)的高效率也可以簡(jiǎn)化冷卻系統(tǒng)的降低多余熱量的散熱要求，如圖2所示。最后，模塊高效率可以使系統(tǒng)需要較少的電力，降低激光設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用。

除了高效率值，二極管激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)也可以顯示出極好的可靠性。近來(lái)高功率，多模單管激光二極管已經(jīng)顯示出來(lái)近似電信的可靠性。例如，nLIGHT已經(jīng)研發(fā)了3.8毫米腔長(zhǎng)的高功率二極管激光器，在10W3,4量級(jí)時(shí)FIT率低于億分之45。此外，nLIGHT對(duì)單管激光器和光纖耦合封裝還進(jìn)行了廣泛的可靠性測(cè)試。結(jié)果表明，眾多的單個(gè)二極管相對(duì)光纖耦合二極管激光模塊在統(tǒng)計(jì)上沒(méi)什么區(qū)別。這是通過(guò)考核90% CL繪制的顯示出的不穩(wěn)定性的運(yùn)行時(shí)間的單個(gè)二極管相對(duì)光纖耦合二極管激光模塊封裝，如圖3所示。這一結(jié)果標(biāo)示了缺乏封裝誘發(fā)故障（PIF）。這些設(shè)備有一個(gè)時(shí)間到10％的失敗率在運(yùn)行30萬(wàn)至40萬(wàn)小時(shí)，在9xx納米，假設(shè)多年免維護(hù)運(yùn)行。

3. 高亮度泵浦激光器

nLIGHT公司單管結(jié)構(gòu)的靈活性可以被廣泛的生產(chǎn)成各種各樣的封裝類(lèi)型。這些二極管模塊包括專(zhuān)為固體激光泵浦，光纖激光泵浦和材料加工而設(shè)計(jì)的。

200um泵浦模塊是為泵浦Tm光纖激光器，Nd:YAG固體激光器和摻鐿光纖激光器而開(kāi)發(fā)的。79x至88xnm的模塊能夠?qū)⒊�過(guò)100W CW耦合到200µm的光纖，0.15NA。在脈沖模式下工作，200W以上的峰值功率可耦合進(jìn)同一光纖，光譜線低于2 nm FWHM。這一結(jié)果表明在脈沖模式下運(yùn)行nLIGHT的光纖耦合二極管的峰值功率能夠高于在連續(xù)模式運(yùn)行功率100％。圖4（左）顯示了該設(shè)備的電流功率特性。 9xx nm的產(chǎn)品能夠耦合光功率超過(guò)120W到200 μm光纖，NA小于0.1。在設(shè)備的整個(gè)運(yùn)行范圍里實(shí)現(xiàn)了效率大于50％，如圖4所示（右）。這種裝置有不到2％的光進(jìn)入覆層，而且還可以生產(chǎn)出一個(gè)大于35 dB的1微米的隔離窗口。除了光纖激光泵浦，此設(shè)備可用于材料加工.

圖。4：（左）LI曲線， 2 00 μm, 0.15 NA的泵浦模塊用于泵浦波長(zhǎng)從79x 到88x nm。該器件可工作在脈沖模式，以達(dá)到約使用連續(xù)可用功率時(shí)一倍的功率。 （右）9xx nm，200μm,  0.1 NA的泵浦模塊LIV特性。這些產(chǎn)品可作為激光泵浦模塊以及材料處理應(yīng)用。

當(dāng)需要更高的功率，nLIGHT正在生產(chǎn)一種基于單管激光二極管的大封裝高功率產(chǎn)品。這種封裝是專(zhuān)為光功率超過(guò)600瓦耦合到一個(gè)400微米，0.2 NA的光纖，或超過(guò)500W耦合到200微米，0.2 NA的光纖。該設(shè)備也被設(shè)計(jì)成具有高度的可配置性，有獨(dú)立的光學(xué)和激光模塊，同時(shí)能夠耦合進(jìn)200 μm 0.2NA 的光纖或400 μm, 0.1 NA的光纖。激光模塊有56個(gè)發(fā)射器部分組裝成，偏振耦合成兩個(gè)光束。兩組鏡片形成的望遠(yuǎn)鏡使光束勻稱(chēng)，然后將其用一個(gè)多元物鏡聚焦。一個(gè)系統(tǒng)的光路圖顯示在圖5。該設(shè)備預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)降低成本，通過(guò)降低外殼，光學(xué)器件，和光纖的固定成本。 nLIGHT估計(jì)，使用高亮度單管激光二極管耦合這種系統(tǒng)，每瓦的價(jià)格可以減少40％以上。

圖。5：（上左），56個(gè)發(fā)射器模塊的光路圖, 設(shè)計(jì)來(lái)耦合功率超過(guò)500w的功率進(jìn)200 μm, 0.2 NA的光纖（右上）一個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)。 （中心）激光模塊的NA圖和斑點(diǎn)組圖，展示了將56個(gè)反射器到高效率的光纖耦合到這個(gè) BPP的可能性。 （下）數(shù)據(jù)表顯示了應(yīng)用超過(guò)72個(gè)反射器封裝的無(wú)焦點(diǎn)特性。輸出功率為700W的峰值功率可達(dá)到的最高峰值效率為60%.

   nLIGHT還開(kāi)發(fā)了一種10個(gè)單管激光二極管的光纖耦合裝置，基于Pearl的結(jié)構(gòu)來(lái)耦合80W的光功率進(jìn)105 μm, 0.15 NA的光纖。光學(xué)模型，光路圖和數(shù)據(jù)表如下圖6所示。光學(xué)模型和生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品之間有極好的一致性，光纖耦合效率測(cè)得90％以上。

圖。6：（頂） 10個(gè)單管激光二極管的Pearl模塊能夠?qū)⒊�過(guò)80W功率，在0.12 NA時(shí)耦合進(jìn)105微米的光纖的光路圖, NA圖和斑點(diǎn)圖。兩個(gè)光束是使用偏振多路技術(shù)耦合起來(lái)的。 （下）這個(gè)激光模塊的數(shù)據(jù)表。設(shè)備的整個(gè)運(yùn)行范圍效率高于50%以上。

    nLIGHT還生產(chǎn)了79x- 808納米，9xx nm和15xx nm,基于14個(gè)單管激光二極管耦合進(jìn)105微米, 0.15 NA的光纖的設(shè)備。光學(xué)光路圖如下圖 7。79x納米的設(shè)備是為泵浦TM -摻鉺光纖激光器設(shè)計(jì)的，實(shí)現(xiàn)了人眼安全的光纖激光器KW級(jí)的縮放比例。這些設(shè)備耦合光功率超過(guò)70 W到這種光纖，具有效率大于40％和相應(yīng)的亮度13 MW/cm2-str。 15xx nm設(shè)備也展示了用在醫(yī)療應(yīng)用（除皺），Er:YAG激光泵浦和摻鉺光纖激光器泵浦。只用7個(gè)器件和一個(gè)單一的偏振，我們?nèi)〉昧顺�過(guò)15瓦的光功率。該裝置有一個(gè)相應(yīng)的亮度大于3.5 MW/cm2-str。我們認(rèn)為當(dāng)我們使用偏振光束耦合與這些激光二極管共同的偏振光，可以達(dá)到超過(guò)30瓦的光功率。最后，在9xx納米效率值接近50％，亮度值20 MW/cm2-str時(shí)，可以達(dá)到超過(guò)100瓦的光功率。

圖.7：（頂）14個(gè)單管激光二極管的Pearl模塊在9xx nm的光路圖, NA圖和斑點(diǎn)圖。（下）LIV曲線圖，對(duì)于耦合進(jìn)105微米，0.15 NA光纖各種設(shè)備。 （左下）對(duì)808 nm, 輸出功率超過(guò)70w耦合到一個(gè)105um, 0.15 NA的光纖的設(shè)備特性。 （底部中心）對(duì)15xx nm，輸出功率超過(guò)15w耦合到一個(gè)105um,0.15NA的光纖的結(jié)果。 （右下）對(duì)9xx nm的設(shè)備，輸出功率超過(guò)100w耦合到一個(gè)105um,0.15納米的光纖，測(cè)量到的亮度超過(guò)20 MW/cm2-str。

4.結(jié)論

    綜述，我們展示了80x至15xx納米的高亮度半導(dǎo)體激光模塊。這些產(chǎn)品可廣泛的用于各個(gè)領(lǐng)域,包括：光纖激光泵浦，泵浦固體激光器，醫(yī)學(xué)和材料加工。

 參考文獻(xiàn)

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[4] J. Wang, et. al, “Reliability and performance of 808-nm single emitter multi-mode laser diodes,” Proc. SPIE [7583