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新型高亮度光纤耦合半导体激光器的应用

2009-03-21 10:23
小鱼时代
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        作者:Matthias Haag,Bernd Kohler,Jens Biesenbach,Thomas Brand, DILAS公司

        对于光纤激光器泵浦和材料加工应用,半导体激光器的高亮度已经变得越来越重要。对OEM工业用户来说,光纤耦合输出装置比直接输出模块具有很多优点:光纤输出是一种标准接口,光束传输非常容易几乎没有限制。除了传输功能,光纤还具有均化光斑的作用:从光纤中输出的激光光斑是对称的,并且具有高度可重复性光束质量和指向稳定性。


        然而,有效的光纤耦合需要合适的慢轴光束质量以满足光纤的要求。基于标准的10mm阵列的半导体激光器系统,经常采用光束变换系统对高度非对称的半导体激光器阵列或垂直叠阵的输出光进行整形。这些光束变换系统(棱镜组、透镜组、光纤束等)价格昂贵,而且随着复杂程度的提高,效率也在降低。尤其是对于具有较小光纤直径的高功率器件来讲,更是如此。此外,基于单管的系统具有降低成本的潜力,而光纤束亮度却受限于固有的填充因子损耗。


        德国DILAS公司已经开发了一种新型半导体激光器装置,该装置集半导体激光器阵列和单管的优点于一身:高亮度、高可靠性、具有单管的廉价结构。该器件的核心是一个特殊设计的半导体激光器阵列(T-Bar),其晶体外延和侧面结构被设计成仅需标准的快轴和慢轴准直透镜组,就可以把光束耦合到直径为200μm的光纤中。在第一阶段,有多达30个同一波长的T-Bars输出被耦合到光纤中,其输出功率大于500W。按照现在单管的发展,在 200μm光纤中的输出功率有望达到1kW。

        高亮度光纤耦合半导体激光器


        芯片技术的不断发展以及精密微光学系统的应用,使光纤耦合高功率半导体激光器(HPDL)可以在功率和亮度方面与灯泵固体激光器(LPSSL)相竞争。在不久的将来,半导体激光器将在很多应用中取代灯泵固体激光器。


        目前半导体激光器的发展主要受到材料加工领域日益增长的需求的驱动。另外,随着很多应用将光纤激光器作为首选光源,也在一定程度上推动了对更高亮度光纤耦合泵浦模块的需求。最终,高亮度泵浦源促使了光纤激光器输出的高亮度。对泵浦光源光束质量的要求与光纤激光器的设计直接相关,如泵浦光纤和增益光纤的布局。目前,大多数光纤激光器的设计采用两种基本布局:

 

 

(一)单端泵浦和双端泵浦结构


a)泵浦光束通过自由空间光器件被耦合到双包层光纤的一端或两端,高功率激光束通过双色镜输出(图1a)。


b)泵浦光束通过单模或多模光纤合束器(通常是6+1×1)被耦合到双包层光纤中。


(二)侧面耦合结构


a)一个或多个多模泵浦光纤与增益光纤在共同的包层中相连接。


b)分布式侧面耦合:许多光纤耦合单管模块(或最新包含两个或三个单管模块)被熔接到增益光纤的泵浦纤芯(图1b)。


        这些不同结构的特点在一些文献中已有描述。所需泵浦光源的光束指标可以直接从增益光纤的设计中推导出来。泵浦光束的波长由增益光纤纤芯中的掺杂物质决定,其光束质量(即光束参量积BPP,定义BPP=ω0θ;其中θ为半远场发散角;ω0为半束腰直径,ω0=d0/2)由泵浦纤芯(双包层光纤)或泵浦光纤(侧面泵浦光纤)决定。


        图2给出了典型的光纤设计,并给出了数值孔径(NA)和纤芯直径。对于分布式侧面耦合结构,泵浦光源的设计非常清晰:尽可能多地把功率从单管耦合到125μm/NA 0.12的光纤中。对于其他需要更高功率水平的光纤结构,可以有多种选择来制造合适的泵浦光源,比如使用单发射阵列激光器和锥形半导体激光器,但是大多数制造商主要采用两种方法制造高亮度模块:


(一)基于单管的泵浦光源


        功率的提高或是在自由空间排布上利用空间复用多个单管,或是通过单级或多级光纤并束器。

 

 

(二)基于宽面积半导体激光器阵列的泵浦光源


        自由空间排布的半导体激光器阵列被直接耦合到高数值孔径的泵浦光纤中,或是通过光纤并束器把多个高亮度光纤器件合并以提高功率。
 

        图3给出了两种设计方法的内在比较。在过去的几十年间,制造商趋向于将半导体激光器阵列和单管的优点相结合。从半导体激光器阵列制造商方面来看,这种趋势最直接的驱动力来自于有竞争力的价格潜力和单管技术的长寿命。另一方面,单管制造商正在寻求用一个多单管阵列或标准阵列实现的光纤耦合器件。例如,应用于材料加工的每阵列具有4个单管的短条设计,以及用于光纤激光器泵浦的自由空间单管设计。


        作为生产传统封装半导体激光器阵列的公司,德国DILAS融合了这两种基本结构,在传统的10mm阵列上实现了单管的很多优良特性。DILAS公司的最终目标是在一个多功能模块上以最小的成本/功率值实现最高的亮度,进而满足泵浦光源与材料加工方面的应用。

 

 

        T-BAR的设计       


        T-Bar代表定制的半导体激光器阵列。T-Bar是多个单管的半导体阵列,其间距(两个相邻单管的中心距)和宽度的选择是为了保证在不使用复杂光束整形器件的条件下,实现慢轴方向所需要的光束质量。在快轴方向,为了获得最高亮度的激光光斑、并耦合进光纤器件,在垂直方向上排布的半导体激光器阵列的数目要跟慢轴的光束质量相匹配。一般来说,T-Bar具有以下两个主要特征:
 

●所有单管的慢轴光束参量积,都等于耦合光纤所需的光束质量;


●微光学系统的使用限制于快轴准直器和慢轴准直器,以减小畸变、提高填充因子。


        T-Bar的设计通常遵循以下典型步骤:首先定义光纤参量(直径和数值孔径),然后设计阵列的侧面结构,最后确定与光纤匹配的半导体激光器阵列的数目。表1描述了三种不同的光纤直径以及相对应的快轴和慢轴参数下的半导体激光器叠阵参数。


        为了克服技术和成本方面的限制,T-Bar在研发中需要考虑以下方面:


A)成本


        对于典型的光纤耦合半导体激光器模块,其主要成本来源于半导体芯片和微光学系统。事实上,模块的亮度越高,则微光学系统占据的成本比例就越大。对于一个使用传统的10mm半导体激光器阵列的200μm光纤输出模块,其微光学系统的成本很容易达到甚至超过总成本的50%。再加上准直和安装费用,微光学系统占据了总成本的60%以上。T-Bar研发的一个主要目标是在保持相同半导体芯片成本的前提下,将微光学系统的成本降到总成本的20%以下。只有去除为了重新排列和旋转每个单管的复杂的棱镜和透镜系统,并限制准直微光学系统的使用,才有可能降低成本。

 

 

B)冷却


        另一个直接影响成本/功率值的因素是在半导体激光器前端面获得的功率密度。即使使用最先进的安装技术(硬焊料),标准的商用10mm半导体激光器阵列可获得的功率密度的最大值为25W/mm。对于单管,目前可获得的功率密度为50~100W/mm,预计最大可达200W/mm。这个差异主要是由热因素导致的:即使使用微通道热沉,比如安装在C-mount热沉上,冷却一个密集封装的半导体激光器阵列的效率都要远低于冷却一个单管。


        除了价格因素,冷却效率也极大地影响半导体激光器的性能和寿命。实验表明,在一个典型半导体激光器阵列中,相邻单管的热串扰导致了半导体内的绝大部分热沉积。这种现象对高填充因子的半导体激光器阵列(如50%)、非优化的热阻和具有铜钨基底(sub-mount)的硬焊料焊接的半导体激光器尤其明显。解决热串扰的唯一办法是增加单管之间的距离。然而从芯片层面来看,这与低成本相矛盾,因为大的间距意味着低填充因子。另外,当半导体激光器的填充因子降低时,FAC和SAC透镜的成本效率也降低。基于热仿真的迭代方法被用来设计T-Bar,以寻找成本和性能之间的折中方案。

 

 

C)光束质量


        所需阵列的光束参数,可以很容易地通过耦合光纤的直径和数值孔径计算得到。通常情况下,对于给定的外延结构和腔长,半导体激光器慢轴的发散角是电流的函数,也是光功率的函数。只要确定了半导体激光器的工作点,其输出光束的发散角就可以用来计算阵列的总长度,并实现一定的光束参量积。阵列长度以及冷却限制决定了T-Bar的侧面结构。比如,一个500μm的单管的光束质量与五个平均分布在10mm半导体激光器阵列上的100μm单管相同。然而,冷却低填充因子的半导体激光器效率会更高。


        除了冷却因素,低填充因子不但提高了慢轴的准直性能,还提高了整个慢轴的光束质量。另一方面,假设使用类似的安装技术,与短的高填充因子半导体激光器阵列相比,一个长的低填充因子的半导体激光器阵列,在快轴光束畸变方面更容易受到弯曲的影响。DILAS公司的T-Bar,可以最大限度地满足这些相互矛盾的需求。


D)寿命


        10mm半导体激光器阵列的典型寿命是10,000~20,000小时,这取决于工作模式和环境条件。与这些数字形成鲜明对比的是单管的寿命,一般都在50,000小时以上。除了技术因素(冷却、内部应力等)外,单管结构与半导体激光器阵列相比具有固有的优势:电气隔离和环境隔离。在一个半导体激光器阵列上,一定数量的单管被紧凑排列、并行地连接在一起。如果没有空间隔离和电气隔离,将会出现致命情况:一个单管的失效,会因为短路或污染其他单管表面而导致整个半导体激光器阵列失效。图4给出了相关的关系图,其中半导体激光器阵列上的单管以串联形式排布。单管可以并行方式连接,这样其中一个单管的失效不会影响其他单管。因此,对于给定时间内完全并行连接的单管阵列,其基于MTTF计算的存活概率R(t)要远高于半导体激光器阵列。

 

 

        其中,MTTF为平均失效时间,F(t)为失效概率,n为串联的半导体激光器数目。


        实际上,单管和半导体激光器阵列的差异并不完全像图4中的表格所描绘的那样,因为到目前为止,并不是每一个单管的失效都会导致整个半导体激光器阵列失效。然而,从统计的角度看,减少半导体激光器阵列上单管的数目,是提高寿命的有效手段。基于此,DILAS公司的T-Bar所包含的单管数目,比标准的半导体激光器阵列要少。

 

 

        500W/200μm样机的设计与特性


        T-Bar模块的光学设计的突出特点是简洁高效,这使每瓦的成本非常具有优势。图5给出了500W样机的光学装置图。半导体激光器被排布成两个偏振耦合模块,每个模块包含两列交叉的二级管。为了配合前面和后面二级管的发射光束,装置采用了一个新型光学元件,它不仅能偏转每个半导体激光器发射的交叉光束,还能补偿光程差。在慢轴方向,不需要进一步的光束整形;在快轴方向,为了在聚焦透镜处形成对称光束,光束通过一个柱透镜望远镜实现压缩。然后通过一组球面透镜把光束聚焦到200μm的光纤中。


        为了达到亮度水平,就需要一个刚性的、热稳定好的机械装置以保证器件可靠运转。器件使用了一个可以包含所有光学支架和半导体激光器基板的硬质单框架模块盒,来满足其对硬度、紧凑性和简单性的要求。光纤的中心位置决定了可以使用传导冷却光纤连接器。对两个半导体激光器模块和光纤基座的冷却,是通过使用公共入水口实现的。被动冷却方案允许使用工业水,但这是严格禁止在模块内部使用的。图6显示了装有初步高功率光纤适配器模块的实物图,其外观尺寸为 250mm×150mm×40mm。

        今后的主要工作是设计一个传导冷却的低成本光纤,使之能输出1kW的连续光。目前还没有这种光纤,所以仍在使用标准的QBH水冷高功率光纤。图7 给出了第一台模块样机的光学性能。功率电流(PI)曲线(图7a)表明,在电流大约为39A时,在200μm光纤中可以获得500W的功率输出。目前开发中遇到的主要问题是,增加电流会导致效率降低,并在PI曲线上出现明显弯曲。


        模块输出的均匀光谱(图7b)表明,其可以高效地将热量通过底板从每个热沉传导到冷却水。

        结论与展望


        使用一种新型半导体激光器阵列设计方法,DILAS公司开发出了高亮度光纤耦合激光器模块,低成本、简洁、高效是其主要特征。首台样机可从200μm光纤中输出500W的976nm激光。T-Bar模块系统集二级管阵列和单管的优点于一身,是极具潜力的光纤激光器泵浦源。


        DILAS的下一个目标是改进半导体激光器和模块的整体设计,特别是芯片的进步将有望大幅降低每瓦成本,并延长寿命。对于模块样机,100μm单管条,功率限制在每个单管6W。在不久的将来,输出功率有望达到10W,这对增加模块的亮度以及降低每瓦成本都将产生积极影响,每瓦成本将小于20美元。


        模块设计的改进可以解决热耗散与操作问题。降低二级管阵列和水循环之间的热阻,对半导体的性能和寿命都有巨大影响。该项目研究了减少热接触面数目的新型安装技术,并使用了CVD钻石以及复合材料。秉承着简单操作的理念,DILAS最终想生产出能“任意使用的模块”。今后的设计目标是完全免维护,并具有超长寿命、体积更小的单管的使用,将有助于该目标的实现。

        参考文献:


1. S. Norman, M. Zervas, A. Appleyard, P. Skull, D. Walker, P. Turner, I. Crowe; “Power Scaling of High Power Fiber Lasers for Micromachining and Materials Processing Applications”; Proc. SPIE Vol. 6102, (2006)
2. H. Schlüter, C. Tillkorn, U. Bonna, G. charache, J. Hostetler, T. Li, C. Miester, R. Roff, T. Vethake, C. Schnitzler; “Dense Spatial Multiplexing Enables High Brightness Multi-kW Diode Laser Systems”; Proc. SPIE Vol. 6104, (2006)

(编辑:曾聪)

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