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作者：Paul Wolf，Bernd Köhler，Karsten Rotter；DILAS公司

 在過去的幾年中，高功率固體激光器，特別是光纖激光器已經(jīng)獲得了越來越多的應(yīng)用。高功率、高亮度光纖耦合半導(dǎo)體激光模塊作為這些激光器的泵浦源，其市場(chǎng)需求也在顯著增長(zhǎng)。半導(dǎo)體激光系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)包括電源轉(zhuǎn)換效率高、光功率高、可靠耐用、對(duì)環(huán)境條件要求寬松以及體積小、質(zhì)量輕等。

 然而，要想獲得有效的光纖耦合，需要對(duì)慢軸光束質(zhì)量（通常限制大面積半導(dǎo)體激光器巴條的有效耦合）進(jìn)行調(diào)整以適合光纖需求�；�于標(biāo)準(zhǔn)的10mm寬巴條的半導(dǎo)體激光系統(tǒng)，通常采用光束變換系統(tǒng)來調(diào)節(jié)巴 美國(guó)留學(xué)條件 澳大利亞留學(xué) 澳大利亞留學(xué)網(wǎng)條或疊陣輸出的高度非對(duì)稱光。這些光束變換系統(tǒng)（棱鏡陣列、透鏡陣列、光纖束等）成本高昂，并且整個(gè)系統(tǒng)的效率也會(huì)隨著復(fù)雜性的增加而降低^[1]。

 為了提高光纖耦合半導(dǎo)體激光器的亮度，DILAS公司始終致力于開發(fā)可定制的迷你型巴條，其相比于傳統(tǒng)的10mm巴條擁有諸多優(yōu)勢(shì)。這些迷你巴條的優(yōu)點(diǎn)之一是：其僅在快軸準(zhǔn)直透鏡（FAC）和慢軸準(zhǔn)直透鏡（SAC）中使用了微光學(xué)元件，在無需其他光束變換元件的情況下，就能將輸出光有效地耦合到直徑200μm、NA為0.22的光纖中。因此，這是一套非常簡(jiǎn)化的高亮度高效光學(xué)系統(tǒng)。

 提高半導(dǎo)體激光系統(tǒng)（特別是泵浦源系統(tǒng)）性能的另一個(gè)重要方法是控制泵浦模塊的峰值波長(zhǎng)和線寬。通過VGH（VHG）等外部元件可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)控制。光譜穩(wěn)定的半導(dǎo)體激光模塊的主要優(yōu)勢(shì)在于：溫度和電流對(duì)模塊的光譜特性影響較小。因此，其對(duì)冷卻系統(tǒng)的要求降低，并且模塊可以在惡劣環(huán)境下工作。對(duì)于反射鏡介電鍍膜以及偏振耦合器的損耗而言，波長(zhǎng)控制同樣具有優(yōu)勢(shì)。此外，波長(zhǎng)穩(wěn)定還可以確保模塊在整個(gè)工作范圍和生命周期內(nèi)的泵浦穩(wěn)定有效。

 除了上述優(yōu)點(diǎn)，半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)對(duì)芯片材料的要求同樣可以放寬，因此可以獲得更高的產(chǎn)量。然而，需要指出的是，所有這些性質(zhì)均取決于鎖定范圍，并且這些優(yōu)點(diǎn)并不能同時(shí)擁有^[2]。鎖定范圍主要由VGH的反射率、巴條輸出端面的反射率、以及鎖定波長(zhǎng)與不采用VGH的半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)差決定。

 波長(zhǎng)穩(wěn)定的高功率半導(dǎo)體激光器模塊的特性

 （1）波長(zhǎng)穩(wěn)定的675 W / 200μm原型的設(shè)計(jì)與性能

為了滿足市場(chǎng)對(duì)緊湊型以及高亮度的需要，必需開發(fā)結(jié)構(gòu)緊湊、波長(zhǎng)穩(wěn)定的光纖耦合半導(dǎo)體激光模塊。這意味著必須對(duì)二極管的機(jī)械架構(gòu)、光路以及光學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，以維持二極管的初始亮度。圖1顯示了675W激光模塊的設(shè)計(jì)圖。

圖1：波長(zhǎng)穩(wěn)定裝置的光路圖。采用空間合成以及偏振耦合，可以獲得高亮度。

巴條分四個(gè)陣列排布，每個(gè)陣列排布7個(gè)巴條，整個(gè)模塊共28個(gè)巴條。28個(gè)巴條均采用FAC及SAC透鏡準(zhǔn)直。每?jī)蓚�(gè)陣列沿快軸方向利用若干折疊鏡堆疊，最后對(duì)兩個(gè)堆疊的輸出光束進(jìn)行偏振耦合，以增強(qiáng)模塊亮度。

 為了獲得球形聚焦物鏡上的對(duì)稱光束，在慢軸方向采用柱透鏡望遠(yuǎn)鏡對(duì)光束進(jìn)行擴(kuò)束。最后再利用球形透鏡組將光束聚焦到直徑200μm、NA=0.22的模式分離（mode stripped）光纖。所用光纖為Optoskand公司生產(chǎn)的水冷增透鍍膜QBH光纖。

 首先對(duì)原型裝置進(jìn)行測(cè)量以檢驗(yàn)光學(xué)性質(zhì)，包括電光轉(zhuǎn)換效率以及不使用VGH時(shí)的光譜。圖2中，左圖顯示了采用直徑200μm、NA=0.22光纖的原型裝置的輸出功率隨電流的變化關(guān)系，以及相應(yīng)的電光效率。工作電流為40.5A時(shí)，輸出功率達(dá)到最大值775W；輸出功率為440W時(shí)，電光效率達(dá)到最大值48%，并且在整個(gè)工作范圍內(nèi)均高于42%。功率-電流曲線的斜率直到700W時(shí)依然保持線性增長(zhǎng)。目前研究人員正致力于將這一線性關(guān)系提升到更高的電流值。圖2中，左圖給出了原型裝置的光譜特征曲線；右圖顯示了光譜的峰值波長(zhǎng)位于974nm處，線寬為5.1nm（包含了90%的功率）。

圖2：（左圖）不采用VGH的原型模塊的功率及效率隨電流變化的曲線，工作溫度20°C；（右圖）模塊的光譜曲線，峰值波長(zhǎng)974nm，線寬5.1nm（包含了90%的功率）。

接下來要使用VGH改善該模塊的光譜特征。研究人員測(cè)試了反射率在3%~15%之間的若干個(gè)VGH。發(fā)射率的選擇需要在不同工作條件下的鎖定范圍與VGH的插入損耗之間權(quán)衡決定。值得注意的是，巴條反射率并沒有依照VGH的反射率進(jìn)行優(yōu)化。為了降低成本并減小光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性，每個(gè)二極管陣列僅采用一個(gè)通用VGH。

 圖3顯示了采用了VGH的模塊的輸出功率及波長(zhǎng)的測(cè)量結(jié)果。其中左圖顯示了采用直徑200μm、NA=0.22光纖的模塊的輸出功率與電流之間的函數(shù)關(guān)系，以及相應(yīng)的電光效率。當(dāng)電流為36.5A時(shí)，可獲得675W的目標(biāo)輸出功率，總電光效率達(dá)42.5%。當(dāng)采用VGH后，由于其引入了相應(yīng)的損耗，因此最大輸出功率有所下降；當(dāng)電流為37.4 A時(shí)，輸出功率達(dá)到最大值690W。

 右圖顯示了該裝置的光譜測(cè)量結(jié)果。模塊的中心波長(zhǎng)穩(wěn)定在976.8nm，線寬降至0.7nm（包含90%的功率）。

圖3：（左圖）采用VGH的模塊的功率及效率隨電流變化的曲線，工作溫度為22°C。（右圖）模塊的光譜曲線，峰值波長(zhǎng)976.8nm，線寬0.7nm（包含90%的功率）。

 為了確定原型模塊的鎖定范圍，DILAS對(duì)不同溫度、不同電流條件下的光譜特征作了詳盡研究，結(jié)果如圖4所示。左圖顯示了恒定工作電流條件下，溫度范圍在18~35°C之間的波長(zhǎng)變化。中心波長(zhǎng)的漂移僅為0.012nm/°C。右圖顯示了波長(zhǎng)隨電流在20~40A之間變化的函數(shù)關(guān)系，相應(yīng)的波長(zhǎng)漂移僅為0.008nm/A。

圖4：原型模塊在18~35℃的溫度范圍內(nèi)（左圖）以及在20~40A的電流范圍內(nèi)（右圖）的光譜曲線。

圖5顯示了第一臺(tái)原型裝置實(shí)物圖，其外觀尺寸為285mm×250mm×100mm。該模塊的主體是一臺(tái)包含整個(gè)光學(xué)裝置的堅(jiān)固機(jī)箱。四個(gè)二極管基板由側(cè)面插入，并通過螺絲固定在機(jī)箱上。模塊化的設(shè)計(jì)允許分別更換每個(gè)二極管陣列。模塊采用堅(jiān)固的鋁材料外殼時(shí)，總重量超過8kg。也可以采用鎂合金等低密度材料作外殼來降低質(zhì)量。另外，也可以通過進(jìn)一步改進(jìn)機(jī)械架構(gòu)將模塊重量減輕4kg。

圖5：第一臺(tái)675W原型模塊，外觀尺寸為285mm×250mm×100mm。

為了保護(hù)巴條，可以選擇對(duì)每個(gè)模塊加裝截止濾波片，以阻擋固體激光器的輸出光，這對(duì)光纖激光器而言更為重要。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)還可以包括溫度傳感、光纖互鎖、引導(dǎo)光束、功率監(jiān)測(cè)以及不同種類的光纖適配器等額外配件。

DILAS表示下一個(gè)目標(biāo)是進(jìn)一步優(yōu)化二極管基板和模塊的重量以及空間設(shè)計(jì)。該模塊的重量有望減小到1.25kg。

此外，通過優(yōu)化巴條的亮度（提高單個(gè)發(fā)射體的輸出功率或者減小慢軸發(fā)散度）可以將模塊的輸出功率提高到1kW甚至更高，DILAA表示該目標(biāo)有望于今年實(shí)現(xiàn)。如果上述兩點(diǎn)改進(jìn)都得以實(shí)現(xiàn)的話，用戶最終將能獲得重量1.25kg、輸出功率1kW的模塊。

 （2）波長(zhǎng)穩(wěn)定的200W/ 200μm原型的設(shè)計(jì)與性能

該原型模塊中包含7個(gè)二極管巴條，其開發(fā)目的獲得在成本和總體效率方面均獲得改進(jìn)的緊湊型產(chǎn)品。DILAS最終設(shè)計(jì)出了外觀尺寸為130mm×65mm×39mm、重量?jī)H為904g的模塊（如圖6）。該模塊可采用標(biāo)準(zhǔn)的SMA905光纖及新開發(fā)的SMA0.5光纖，并可用工業(yè)水冷卻。

圖6中，右圖顯示了該模塊的輸出功率隨電流的變化關(guān)系。采用直徑200μm、NA=0.22光纖的最大輸出功率為230W，相應(yīng)的電流為40A。電流為34.7 A時(shí)，可以獲得目標(biāo)功率200W，相應(yīng)的電光效率超過52%。

圖6：（左圖）采用SMA0.5光纖接頭的200W半導(dǎo)體激光器模塊。（右圖）20°C時(shí)該模塊的輸出功率及效率隨電流的變化曲線。

 對(duì)于低功率應(yīng)用而言，光纖耦合模塊通常采用標(biāo)準(zhǔn)的SMA905接頭。然而，這些接頭的功率損耗較大。如果輸出功率超過200W，則該問題更為關(guān)鍵，特別是與纖芯直徑較小的模式分離連用時(shí)該問題更為突出。這樣高功率模塊的另一格選擇是采用可靠的水冷工業(yè)用光纖，例如Optoskand公司生產(chǎn)的QBH光纖。然而這些光纖成本較高，在緊湊性方面也存在不足。

 Optoskand公司新推出的SMA0.5接頭（如圖7）^[3]，其不但可靠性高，而且頗具成本優(yōu)勢(shì)。SMA0.5接頭有多種光纖端面增透鍍膜可供選擇。

圖7：Optoskand公司推出的SMA0.5光纖接頭。

 該模塊的波長(zhǎng)穩(wěn)定圖如圖8所示。左圖顯示了采用直徑200μm、NA=0.22光纖的模塊的輸出功率及效率隨電流的變化關(guān)系，以及相應(yīng)的電光效率。電流為42A時(shí)獲得最大輸出功率200W。右圖是該模塊的光譜曲線。中心波長(zhǎng)976.7nm，線寬減小至0.5nm（包含90%的功率）。

圖8：（左圖）采用VGH的200W原型模塊的功率及效率隨電流的變化曲線。（右圖）該模塊的光譜曲線。峰值波長(zhǎng)976.7nm，線寬0.5nm（包含90%的功率）。

小結(jié)

上述介紹的第一個(gè)原型模塊包含四個(gè)基本的構(gòu)成單元，第二個(gè)原型是僅采用一個(gè)基本單元的輕便緊湊型模塊。另外，在模塊的開發(fā)過程中，DILAS還成功地測(cè)試了Optoskand公司新推出的SMA0.5光纖接頭的性能。該接頭光纖適用于高功率應(yīng)用，并且在成本和尺寸方面均具有優(yōu)勢(shì)。

基于現(xiàn)有的模塊化設(shè)計(jì)概念，DILAS有望開發(fā)出高功率、高亮度、輕便小巧的kW級(jí)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品。這些產(chǎn)品將在航空以及國(guó)防工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

1. M.Haag et al.; “Novel high-brightness fiber coupled diode laser device”; Proc. SPIE Vol. 6456 (2007)

2. B. Köhler et al.; “Wavelength stabilized high-power diode laser modules”; Proc. SPIE Vol. 7198 (2009)

3. S. Campbell, O. Blomster, M. Palsson; “Comparison of small fibre connectors for high-power transmission”;

Proc. SPIE Vol. 7578 (2010).