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光纤耦合高功率、高亮度半导体激光泵浦源的最新进展

2009-04-01 16:39
九一隐士
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作者:nLIGHT公司

        目前市场上的高功率光纤耦合半导体激光系统,基本上都是使用bar条通过光束整形来制造的。虽然基于bar条的激光系统也能够把很高的能量耦合到一根光纤中,但由于bar条固有的器件热互扰问题和较低的光纤耦合效率,将使整个系统的工作效率较低。而且,这些激光系统往往体积较大、较为笨重,且结构复杂。nLIGHT公司开发的高功率光纤耦合半导体激光器,基于emitter结构,而不是使用bar条,能在很宽的波长范围内实现紧凑的结构、较高的亮度及较高的转换效率[1]。
emitter结构的优势


        nLIGHT已经通过实践证明,采用emitter结构的半导体激光器比起采用bar条的激光器有独特、突出的优势。Emitter结构能增强激光器件的性能、提高加工过程中的成品率、增加器件的可靠性,并且还能简化系统内部的光学设计。


        相比bar条的热互扰(cross-heating)缺陷,单emitter可使热量向热沉横向扩散,从而降低芯片的结温度,增加单 emitter的输出功率。例如,bar条的线性功率密度往往要小于20mW/祄,而单emitter则可以在超过50mW/祄条件下正常运行。


        相比bar条结构,emitter结构还具有成品率更高的优势。因为对于emitter而言,可以单独对其分别进行老化测试和挑选。相比之下,bar条激光器很容易受到产品缺陷和工艺微小变化的影响,从而使得产品的成品率下降,增加了激光器成本。

 

图1. 左图为可容纳多达10个单emitter二极管的Pearl模块,外形子尺寸为96.5mm 50mm 19.5 mm;右图为高功率Pearl模块,外形尺寸为124mm 50mm 23 mm。

 

        另外在封装上,单emitter底面比bar条面积小很多,这使得emitter与下面热沉材料的热膨胀差别大大减少,从而减少封装过程中产生的应力。相比较采用bar条的激光模块通常的平均无故障时间(MTTF)——1~2万小时来说,基于emitter结构的激光模块的MTTF已经能够超过 10万小时。最后,光学设计将发光区直接成像耦合进入光纤,简单直接,因此耦合效率极高。


        采用emitter结构的半导体激光器的高性能、高成品率、高可靠性和设计优势,直接提高了整个激光系统的性能。多个emitter的高线性功率密度可以转化为高亮度和高效率的半导体激光器件,还可进一步组建成高亮度的激光系统。每个emitter都可以单独进行光学准直,然后耦合到光纤中,这样能够实现大于95%的光纤耦合效率。通过精心设计器件的几何尺寸和相应的光路系统,可减小多个emitter间的无光区域间隔,从而保持激光器的高功率和高亮度特性,转换效率能达到50%~60%。


        采用emitter结构的激光器体积小、结构紧凑,并拥有良好的热传导能力。与此相反的是,基于bar条的激光系统的光束整形需要使用复杂的光学元器件来变换bar条输出的不对称光,经过准直然后再聚焦进入光纤。通常,这种光束整形方法所实现的光纤耦合效率为70%~80%。此外,由于存在热互扰的问题,bar条的设计效率通常也只能达到40%~50%,由此产生的整体系统效率通常只有30%~35%,产生的大量的热量需要进行主动冷却。

        Pearl系列产品


        nLIGHT的高亮度PearlTM系列产品基于emitter结构,该系列产品结构紧凑、尺寸小巧,却仍然具有较高的输出功率。Pearl系有两种非常小巧的商用模块设计:96.5mm 50mm 19.5 mm和124mm 50mm 23mm,如图1所示。尽管外形非常小巧,但这些器件拥有非常高的单位体积功率。例如,由10个emitter组成的小尺寸Pearl模块,可产生超过 80W的光功率,并能够耦合进一根芯径为200祄的多模光纤中;而由有16个emitter组成的稍大尺寸的Pearl模块,能产生超过120W的光功率,也能够耦合进一根芯径为200祄,NA为0.22的多模光纤中去。这些功率对应的功率/体积比值都大于0.9W/cm3。两种尺寸模块的L-I-V曲线如图2所示。相比之下,多bar条结构的光纤耦合模块的单位体积功率介于0.05~0.26W/cm3之间。虽然典型的单bar条结构的光纤耦合模块能提高至0.25~0.75W/cm3之间,但这通常也仅限于光功率小于40W的激光器系统。

 

图2.(左)Pearl模块产生大于80W的光功率耦合到芯径为200祄的光纤中,此模块的单位体积功率大约为 0.95W/cm3。(右)Pearl模块产生大于120W的光功率耦合到芯径为200祄的光纤中,此模块的单位体积功率大约为0.93W/cm3。这两个模块的输出波长均为976nm,光谱半高宽小于3.5nm。


图3. (左)Pearl模块把超过40W的光功率耦合到芯径为100祄、NA为0.22的光纤中,在40W功率时效率接近50%,模块的亮度大约是 5.5mW/cm2*球面度,外形尺寸为96.5mm 50mm 19.5mm,输出波长为976nm。(右)高效Pearl模块功率超过100W时系统的效率大于55%,耦合到芯径为400祄的光纤中,输出波长为 940nm。

 

        除了能以小尺寸结构提供高功率的应用外,nLIGHT的Pearl产品线还可提供高亮度的激光应用[2]。为了满足高亮度激光市场的需求,nLIGHT使用6个emitter输出约40W的光功率,并将它耦合进入一根芯径仅为100祄、NA为0.22的光纤中去,对应的亮度已经超过 5.5mW/cm2 *球面度。这是一个极具竞争力的亮度值。在完成输出高亮度激光的同时,nLIGHT并没有牺牲应有的转换效率。该高亮度激光系统在工作条件下的电光转换效率超过45%,如图3所示。


        在用户需要更高转换效率的激光应用场合,nLIGHT把16个emitter产生的超过100W的光功率耦合到芯径为400祄、NA为0.22 的多模光纤中去。在光纤输出端的测量结果表明,产品峰值电光效率能大于60%,典型转换效率大于59%。相信这是迄今为止已有的转换效率最高的一个高功率、高亮度光纤耦合系统,见图3。


        总之,nLIGHT公司基于emitter结构的激光器产品,外形小巧紧凑,具有十分突出的输出功率和亮度。该产品能够提供前所未有的高转换效率(在众多波长下的转换效率值都超过50%)。此外,此产品具有极高的输出亮度,亮度值超过5.5 mW/cm2 *球面度。

参考文献:
1. S. Patterson, et al., DEPS 20th SSDLTR, (2007).
2. P. Leisher, et al., Proc. SPIE, vol. 6952, (2008).

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