大功率半导体激光器阵列光束光纤耦合研究

从半导体激光器的光参数积出发，给出了一种集光束准直、整形、聚焦及耦合的高功率半导体激光器阵列光束的光纤耦合方法。推导出了正交的两组准直微透镜阵列的面形公式；计算了准直光束的准直精度和聚焦光学系统参数。作为例子，给出一个光纤芯径为800μm，数值孔径0．37的光纤耦合高功率半导体激光器实验结果．其耦合效率大于53％。     

50W半导体激光列阵单光纤耦合模块

利用阶梯反射镜整形技术分别对两个功率为40W的半导体激光器光束进行镜面分割,旋转重排后使用偏振分光棱镜(PBS)进行合束,最后得到功率为55.8W、耦合效率约为70%的半导体激光列阵(LDA)单光纤耦合模块,光纤芯径为Φ400μm,数值孔径(NA)为0.22。经过连续100h的正常拷机后,功率稳定。     

多单元半导体激光器的高亮度光纤耦合输出

设计并研制了一种多单元半导体激光器的高亮度光纤耦合输出模块.激光器芯片采用分子束外延(MBE)方法生长的宽波导、双量子阱结构AlGaAs/GaAs激光器外延材料,激光器模块采用4只准直的单条形大功率半导体激光器,器件腔长为2 mm,发光区宽度为100μm,单条形器件的连续输出功率为5.0 W,每两只单条形器件的准直输出光束经过空间合束后再通过偏振合束,实现了多单元器件输出的高光束质量功率合成,采用简单的平凸透镜实现了合束光束与100μm芯径、数值孔径(NA)0.22石英光纤的高效耦合,耦合效率高达79%,输出功率达10.17 W,光纤端面功率密度达1.0×105W/cm2.     

双包层掺杂光纤端面泵浦技术的研究

设计了一种基于准直聚焦透镜组的双包层掺杂光纤端面泵浦耦合系统,通过分析多模光纤耦合输出的泵浦光束参量经准直聚焦透镜光学系统后的变换特性,给出了能够满足泵浦光束与双包层掺杂光纤内包层模场分布匹配条件的透镜组参数及其位置参数设计要求,并利用结构参数与双包层掺杂光纤完全相同的未掺杂双包层光纤进行了耦合功率的实验测试,当泵浦源输出功率为50 W时,获得了34.1 W的入纤泵浦功率,泵浦耦合效率达到近70%,为搭建双包层光纤激光器奠定了基础.     

Design of 20 W fiber-coupled green laser diode by Zemax

We represent a design of a 20 W, fiber-coupled diode laser module based on 26 single emitters at 520 nm. The module can produce more than 20 W output power from a standard fiber with core diameter of 400 μm and numerical aperture (NA) of 0.22. To achieve a 20 W laser beam, the spatial beam combination and polarization beam combination by polarization beam splitter are used to combine output of 26 single emitters into a single beam, and then an aspheric lens is used to couple the combined beam into an optical fiber. The simulation shows that the total coupling efficiency is more than 95%.     

Laser diode module for single-mode fiber based on new confocal combination lens method

A practical laser diode module is demonstrated for single-mode fiber applications. The module was developed through the use of a new combination lens method. The second lens in the confocal two-lens method is divided into two lenses. One is attached to the single-mode fiber front endface, thus forming a virtual fiber. Since both virtual fiber and lens misalignment tolerances are large in this coupling method, soldering is easily applicable. The laser diode module could be fabricated as easily as that for a multimode fiber. High coupling efficiency, excellent reproducibility, and high reliability were confirmed in trial-fabricated modules. Moreover, output power fluctuation due to reflected lightwaves was found to be very small.     

500W光纤耦合半导体激光模块

针对半导体激光器在工业领域的应用和光纤耦合可以实现柔性传输的特点,设计了光纤耦合半导体激光模块。采用光束整形技术、空间合束、偏振合束和光纤耦合等技术,将两组共10个整形后的半导体标准阵列进行合束,扩束后耦合入芯径400m、数值孔径0.22的镀增透膜光纤。在工作电流70 A时,光纤耦合前功率为545 W,光纤耦合后功率为518 W,光纤耦合效率高于95%,得到很高的光纤耦合效率,电光转换效率为43%,为下一步千瓦级光纤耦合半导体激光器的制备奠定了基础。     

基于偏振复用技术的激光二极管光纤耦合方法

光纤耦合输出的高功率激光二极管(LD)模块作为光纤激光器的抽运源已经得到了广泛应用。为了进一步提高光纤耦合激光二极管输出功率,提出了利用激光二极管输出光束的线偏振特性,采用偏振复用技术,将两只高功率激光二极管输出光束经准直、复合、聚焦的光纤耦合方法。利用光线追迹法,分析了圆柱透镜对激光二极管发散光束的准直特性,并讨论了柱透镜的安装距离对准直性能的影响。根据激光二极管和光纤的相关参数设计了聚焦透镜组。采用这种方法将两只输出波长为980 nm的高功率激光二极管输出光束耦合进数值孔径0.22,芯径100μm的多模光纤中,当工作电流为4.5 A时,光纤激光连续输出功率为6.36 W,耦合效率大于78%。     

半导体激光阵列光谱合束技术中变换透镜的研究

利用光栅-外腔的方法对半导体激光阵列(LDA)进行光谱合束时常采用平凸或双凸柱透镜作为变换透镜,然而它会导致外腔的反馈效率低下,经研究发现LDA轴上发光单元的反馈效率为80.5%,对于边缘发光单元甚至降到了49.7%。针对该问题提出了采用双分离柱透镜作为变换透镜,从而可以提高外腔的反馈效率。将传统LDA光谱合束光路展开,并利用Zemax画出它的等效光路,以此来求出平凸变换透镜LDA每个发光单元的反馈效率;根据像差理论分析了平凸变换透镜的成像特点,发现平凸变换透镜的球差和慧差较大,需要对其进行矫正;根据初级像差理论,利用PW法设计了双分离变换透镜,并利用Zemax进行了优化。结果发现,优化后双分离变换透镜可以使10mm宽LDA发光单元的反馈效率达到94.2%以上。研究结果表明使用双分离变换透镜法可提高光谱合束效率。     

星间激光通信发射终端耦合单元的研究

针对星间光通信系统的要求,采用一种新型的半导体激光耦合方案,用前后正交的非球面柱面透镜准直半导体激光束,再经渐变折射率(graduated refractive index,GR IN)自聚焦透镜聚焦,把光束耦合入单模光纤。就此耦合单元,对耦合效率随半导体激光器的位置偏离及角度偏移进行了研究,在光纤尾纤处测得了输出功率随驱动电流的变化关系,单模运行的半导体激光二极管经耦合后的出纤功率可以达到80mW。结果表明,耦合效率随位置偏离及角度偏移的变化灵敏度都不高,这可以满足星间光通信的要求。     

高亮度半导体激光器泵浦光纤耦合模块

采用一种阶梯排列结构的单管激光器合束技术制成了高亮度半导体激光器光纤耦合模块,可用于泵浦掺Yb3+大模场双包层光纤激光器。利用微透镜组对各单管半导体激光器进行快慢轴准直,在快轴方向实现光束叠加,然后通过两组消球差设计的柱面透镜组分别对合成光束快慢轴方向进行聚焦,耦合进入光纤。实验中将6只输出功率为6 W 的976 nm单管半导体激光器输出光束耦合进芯径为105 m、数值孔径为0.15的光纤中,当工作电流为6.2 A 时,光纤输出功率达29.0 W,光纤耦合效率达到80.1%,亮度超过4.74 MW/cm2-str。     

星间光通信发射终端激光耦合单元的设计及实验研究

激光耦合系统是星间光通信系统的重要组成部分。针对星间光通信系统的要求，本文采用一种新型的半导体激光耦合方案，用前后正交的非球面柱面透镜准直半导体激光束，再经渐变折射率（GRIN）自聚焦透镜聚焦耦合入单模光纤。就耦合效率随半导体激光器对光轴的偏离和对光轴角度的偏转进行了研究，发现耦合效率的变化灵敏度不高；同时，在光纤尾纤处测量了输出功率随驱动电流的变化关系，单模运行的半导体激光二极管经耦合后，出纤功率可以达到80mW，满足了星间光通信的要求。     

基于ZEMAX的半导体激光器匀光设计

为了满足半导体激光器能量均匀化的应用需求,基于ZEMAX光学设计软件设计了一套光束整形匀光系统。采用非球面镜与倒置柱面镜望远系统的透镜组合对单模半导体激光器进行准直,得到近似高斯圆光斑;在推导了基模高斯强度分布的匀光投影半径的基础上,利用ZEMAX优化得到两个非球面镜组成的匀光透镜组,在一定范围内可获得能量均匀度达96%以上的圆光斑。同时,实现了一个大功率半导体激光器光纤耦合模块的能量匀化设计,满足对能量匀化要求较高的应用。结果表明,该研究为半导体激光器能量均匀化的应用提供了有效方法。     

Design of a miniature lens for semiconductor laser to single-mode fiber coupling

A design method for a miniature optical lens tipped on a single-mode fiber end to improve power coupling from a semiconductor laser is described. The lens shapes studied are hemispherical, hemicylindrical, and hemiellipsoidal. The optimum coupling conditions and the obtained coupling efficiency are represented in terms of laser beam and fiber parameters. Preferable ranges of hemispherical and hemicylindrical lenses are classified according to the laser and fiber mode spot sizes. Fiber axis offset and tilt effects on coupling efficiency are also studied.     

利用单透镜结构实现自由空间激光进入单模光纤的耦合研究

自由空间激光与光纤的高效耦合可大幅降低激光 能量损耗。基于高斯光束通过透镜的传输规律,分 析经过单透镜变换后的激光光束特性,即像方激光光束特性。对自由空间激光与单模光纤的 优化耦合进行研究。通过分析匹配单透镜参数对像方光束的影响, 选择单透镜合适焦距参数,实现激光与光纤参数的高效匹配,满足激光光束的像方腰斑小于 10 μm且数值孔 径小于0.12。通过实例,分析采用焦距为5mm的单透镜对780 nm空间激光到单模光纤的耦合效 率,结果表明自由空间激光到单模光纤的耦合效率高达90%。该耦合 系统结构简单,可实现激光由自由空间到至光纤的高效率传输。     

半导体激光器阵列耦合系统透镜导管的效率研究

为了将透镜导管应用于激光二极管阵列耦合系统,利用镜像法得到了耦合效率与透镜导管参量之间的关系,即透镜导管长度、曲率半径、输出面边长和快轴发散角均影响透镜导管耦合效率;分析了不同尺寸的半导体激光器面阵耦合到不同尺寸的激光棒中的耦合效率.结果表明,半导体激光器阵列及激光棒的尺寸对耦合效率有一定影响.所得结论为透镜导管的设计...     

高功率非相干光纤激光组束方法的优化

为了增加光纤激光非相干组束的输出功率,针对光纤激光器阵列提出了优化的方法.利用多泵浦源提高单根光纤激光器的输出功率,利用二维光纤激光阵列排列增加参与组束的光纤数目.这两种方法都可以增加光纤激光器的组束功率,为机载战术激光武器的应用打下了基础.     

500W级半导体激光器光纤耦合输出模块设计

为实现亮度均匀、形状对称、高对称光束质量的高功率半导体激光输出,提出了一种基于mini-bar芯片的高功率光纤耦合系统设计方案,使用Zemax设计了一套针对200 m/NA0.22多模光纤的500 W级光纤耦合输出系统。设计使用反射镜-条纹镜系统实现单列叠层微通道封装芯片快轴方向光束的尺寸压缩,并结合偏振合束技术在不改变光束束参积的条件下将功率提高一倍,并使用慢轴扩束系统压缩慢轴方向发散角,最后采用非球面透镜耦合进目标光纤。在设计的基础上采用4列叠层微通道封装的叠阵（每列包含5个mini-bar芯片）进行了等效验证实验,在注入电流为37 A时得到稳定输出功率506 W的小型化模块,亮度达10.3 MW/（cm2sr）,电光效率为43.0%。设计和实验共同表明,该光纤耦合模块可实现500 W稳定功率输出,可广泛应用在光纤/固体激光泵浦及工业加工等领域。     

千瓦级高光束质量半导体激光线阵合束光源

低光束质量严重限制了大功率半导体激光器的应用,为了满足日益增长的工业和国防领域应用需求,发展兼具高功率和高光束质量激光输出的半导体激光光源具有重要意义。采用线阵合束方式集成20个传导热沉封装半导体激光单元,结合斜45°柱透镜阵列整形方法和准直技术,直接均衡激光束快慢轴方向的光斑和发散角,通过波长合束和偏振合束,研制出一种可实用化、连续输出功率1030W、快慢轴方向光参量积分别为18.3mm.mrad和17.7mm.mrad、最大电-光转换效率44%的808nm和870nm双波长半导体激光合束光源,实现了高效率、高功率和高光束质量激光输出,可作为直接光源应用于工业和国防领域。     

Theory of spectral beam combining of fiber lasers

We model the spectral beam combining of a fiber laser array in the external resonator configuration, as proposed by V. Daneu et al. A diffraction integral-based approach is used that leads to design principles for most significant measures of performance, such as efficiency, bandwidth, and beam quality. Sensitivity to alignment and positioning errors is also characterized. Off-axis transform lens aberrations are shown to limit array size, and two design criteria are applied to compare the performance of simple spherical, compound, and aspheric lenses. The results indicate that a simple aspheric lens is superior in meeting the proposed criteria to a well-designed compound (quadruplet) lens with spherical surfaces. Application to the efficient coupling of a laser array to a multimode fiber core is discussed as a final example