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作者：Jörg Neukum博士，DILAS Diodenlaser GmbH

單發(fā)射體或陣列配置（也稱為半導體激光器巴條）中的多模半導體激光器，已經(jīng)成為多種應用中的固態(tài)激光器光學泵浦的首選泵浦源。當用于光纖激光器的光學泵浦源時，單發(fā)射體和巴條各有特定的優(yōu)缺點。單發(fā)射體的優(yōu)勢在于能夠實現(xiàn)可大規(guī)模量產(chǎn)，并具有相對良好的熱管理能力；而巴條則在光學亮度、小巧的體積（同等輸出功率條件下），以及通過幾個單體光學元件對多個發(fā)射體進行光束整形方面，具有自身優(yōu)勢。

通過開發(fā)專門的芯片結構，以及針對光纖激光器泵浦應用對模塊進行專門的設計和優(yōu)化，半導體激光器巴條已經(jīng)能夠實現(xiàn)自動化生產(chǎn)和光纖耦合，同時降低了對相鄰發(fā)射體的熱影響。

優(yōu)化的芯片結構

傳統(tǒng)上，激光二極管巴條可以描述為位于一個非常薄的外延生長層上、由光刻定義的激光發(fā)射體陣列。芯片寬度通常為10mm，發(fā)射體的諧振腔為1mm，其大約比陣列寬度小一個數(shù)量級。這些單晶半導體結構沿垂直于發(fā)射體的平面斷開，隨后暴露面被鍍上反射膜。

在最初使用高功率半導體激光器時，其可提供的光功率通常會受到端面上光學反射膜的損傷閾值（COMD=災變性光學鏡面損傷）的限制，這樣就只能通過增加發(fā)射體寬度、以及增加發(fā)射體數(shù)目來提高功率。更寬的發(fā)射體將會導致更高的光束發(fā)散，并會對相鄰的發(fā)射體產(chǎn)生更大的熱影響，這就是眾所周知的熱串擾，其最終會導致每個單獨發(fā)射體的光束整形損耗。

光學端面鍍膜技術的進一步發(fā)展，已經(jīng)實現(xiàn)了更加耐用的反射鏡，從而可以通過使用腔長更長、寬度更窄的發(fā)射體（降低發(fā)散）和更大的發(fā)射體間距（減少熱串擾）來提高功率。這種半導體激光器巴條的外觀接近正方形，其發(fā)射體的腔長和陣列寬度在同一尺寸范圍，但是發(fā)射體的數(shù)量卻只有標準陣列的25％。這使得激活體積與標準巴條相當，從而實現(xiàn)了與標準巴條接近的功率輸出。這些巴條通常被稱為迷你巴條（Mini-bar）、超級巴條（Super-bar）或“T型巴條”（T-Bar，定制巴條）。在這種巴條中，發(fā)射體之間較大的間距，允許使用易于加工的SAC（慢軸準直）透鏡陣列對所有發(fā)射體的輸出光進行準直。發(fā)射體尺寸的減小，能夠降低光束發(fā)散，從而使光纖耦合變得更加容易。

目前用于標準激光二極管巴條封裝的自動硬焊接封裝技術，也能夠用于上述迷你巴條的封裝。由于這些迷你巴條的寬度更小，因此與10mm寬的激光二極管巴條相比，其“smile效應”大大改善，從而使得隨后的FAC透鏡（用于準直垂直于封裝平面的輸出光）和SAC透鏡陣列（用于準直封裝平面每個發(fā)射體的輸出光）的光學準直變得更加容易，并能實現(xiàn)自動化操作。

光纖耦合基本模塊

為了建立具有較少泵浦源耦合點的光纖激光器，單個泵浦模塊應有盡可能高的輸出功率。最初的目標是建立具有簡化的光學概念（進而能實現(xiàn)自動化生產(chǎn)）的、基于迷你巴條的模塊，用其作為976nm標準巴條泵浦源的等效元件，并通過芯徑200µm（NA=0.2）的光纖實現(xiàn)無包層的135W輸出功率（見圖2）。當然，更進一步的目標是提高輸出功率，以在材料成本和制造成本保持不變的情況下，降低每瓦成本。

當耦合單個發(fā)射體（寬度約為100µm，高度約為1µm）時，由于較大的寬高比，光纖的孔徑?jīng)]有完全使用。合適的光束整形和一定數(shù)量的發(fā)射體堆疊，能夠充分使用光纖的孔徑。為了實現(xiàn)這個目標，將幾個傳導冷卻的迷你巴條與光束整形所必需的微光學元件一起在底板上二維排列，底板采用底部冷卻方式。裝有迷你巴條和微光學元件的底板，可以看成一塊可自動配置的電路板。此處與標準巴條的一個重要區(qū)別是，需要對微光學元件進行主動準直，同時還要考慮光纖耦合所必需的參數(shù)。

圖1：光纖耦合基本模塊的底板原理示意圖

自動化生產(chǎn)的保證，加上微光學元件的主動準直，使得堆疊和準直光束的光束特性具有高度重復性，從而實現(xiàn)光纖耦合。

 堅固的設計

由于上述提及的模塊具有高度一致性，因此在進行光纖耦合時，無需將準直光束聚焦到固定的光纖上。相反，這些模塊可以配備可拆卸的光纖，這使光纖激光器的裝配更加容易。

圖2：光纖耦合輸出的976nm基本模塊的特性曲線和電光效率，輸出光纖芯徑200µm、數(shù)值孔徑為0.2，輸出功率為135W。

該光纖耦合基本模塊通過芯徑200µm的光纖（數(shù)值孔徑0.2）獲得的無包層泵浦功率為135W，并有水冷式SMA模式分離接頭。這些電光參數(shù)是在驅動電流小于30A、工作電壓低于12V的情況下獲得的。因此，該模塊實際上是以最大效率驅動的，這也將延長其使用壽命。

從特征曲線可以看出，在比額定驅動電流高很多的情況下，沒有顯示任何熱下降，這些已經(jīng)可以看出這種設計的堅固性。如前所述，中期目標是提高該基礎模塊和其中包含的迷你巴條的功率水平，以便能通過芯徑200µm、數(shù)值孔徑為0.2的光纖獲得功率為200W的976nm輸出光。

該基礎模塊結構緊湊（130mm×65mm×39mm）、質量輕巧（小于1kg），因此這些模塊能夠緊密排列（見圖3）。例如，可以使用12個泵浦模塊獲得135W×12=1620W的總泵浦功率，該功率足夠實現(xiàn)功率為1kW的光纖激光器。目前，Rofin集團的FL-Line系列等產(chǎn)品已經(jīng)采用了該泵浦模塊。

圖3：緊湊排列的基于迷你巴條的光纖耦合基礎模塊。

高度集成的光纖耦合模塊

通過空間重疊和偏振復用，能夠進一步提高目前全系列的976nm光纖耦合模塊的輸出功率。

圖4：基于迷你巴條的光纖耦合半導體激光器模塊產(chǎn)品系列。

目前，由四個完全裝配的耦合基礎模塊組成的激光二極管模塊，通過芯徑200µm（數(shù)值孔徑為0.2）的光纖可以獲得大于600W的輸出功率。顯然，目前標準SMA光纖不能用在該功率水平下，而必須使用高功率水冷光纖。這些模塊的外形尺寸為285mm×250mm×100mm，依然非常緊湊。

圖5：基于四個976nm基礎模塊的光纖耦合模塊（輸出光纖芯徑200µm、數(shù)值孔徑0.2）的特性曲線和電光效率。

所有介紹的模塊都經(jīng)過專門設計，包含用作光纖激光器的泵浦模塊、用于功率監(jiān)控的光學傳感器、溫度傳感器以及光纖激光器波長保護濾光片。

無論是已經(jīng)實現(xiàn)的、還是理論上可以實現(xiàn)的光學輸出功率水平，最終的額定輸出功率水平將會考慮市場所預期的產(chǎn)品使用壽命。

光譜寬度的縮小

圖6：帶VBG和不帶VBG的集成光纖耦合模塊（輸出功率600W；輸出光纖芯徑200µm、數(shù)值孔徑0.2）用作標準模塊。

通過使用體布拉格光柵（VBG），上述激光二極管模塊的光譜寬度可以進一步縮小。這些布拉格光柵也能夠自動準直。這些帶VBG的模塊在額定功率90％處的光譜寬度通常小于1nm。

總結

本中介紹了第一代針對特定應用優(yōu)化的光纖激光器泵浦模塊，該模塊基于傳導冷卻的迷你巴條，其制造流程高度自動化。隨著光纖耦合激光二極管基礎模塊（135W，200µm，數(shù)值孔徑0.2）在2011年慕尼黑激光展的首次亮相，目前第一批功率提升的模塊系列也已面世。更高輸出功率（高達600W）的模塊也得以展示，并將在進一步優(yōu)化后推向市場。

該模塊采用開放式設計，可使用附加的光學元件，如體布拉格光柵（VBG），以減小光譜寬度并增強波長穩(wěn)定性。

注：本文最初刊登在《LASER》雜志上。