高光束质量大功率半导体激光阵列的微通道热沉

针对现有高光束质量大功率半导体激光阵列内部发光单元条宽、填充因子不断减小,腔长不断增加的发展趋势所带来的热源分布及长度变化影响器件热阻的问题,利用分离热源边界条件结合商用计算流体力学(CFD)软件FLUENT进行数值计算,获得微通道热沉热阻随阵列器件发光单元条宽、空间位置变化关系以及不同阵列腔长对应的微通道优化长度.根据优化参数制备获得尢氧铜微通道热沉,并对宽1 cm,腔长1 mm,条宽100μm,填充因子为25%的半导体激光阵列进行散热能力测试,冷却器外形尺寸27 mm×11 mm×1.5 mm.微通道热沉热阻0.34 K/W,能够满足半导体激光阵列器件高功率集成输出的散热需求.     

窄光谱高亮度半导体激光器光栅-外腔光谱合束实验研究

光栅-外腔光谱合束是基于光栅的波长选择特性和外腔的反馈,使得半导体激光阵列(DLA)中的每个发光单元锁定在不同的波长,并保持每个发光单元输出光束在近场和远场重合,实现光谱合束后输出光束质量与单个发光单元的光束质量保持一致,极大地改善了输出光束的光束质量。实验采用发光单元宽度为100μm、周期为500μm,由19个发光单元组成的常规CM-Bar条进行光栅-外腔光谱合束技术实验,在连续运行最大注入电流为70 A,获得了44.9 W的连续激光输出,快慢轴的光束质量分别为1.52 mm·mrad和5 mm·mrad,合束后的电光转换效率为36%,输出光斑亮度约为36.92 MW/cm2-str,光谱展宽为3.24 nm,合成输出激光可以被耦合进入50μm芯径、数值孔径(NA)0.22的光纤中,作为高亮度激光抽运源或直接半导体激光光源使用。     

基于楔形微透镜补偿半导体激光阵列指向偏差

针对半导体激光阵列的发光单元指向性偏差导致快轴光束质量显著劣化的现象,研究了发光单元指向性偏差对快轴光束质量的影响,提出了一种利用微光学元件补偿发光单元指向性偏差的方法,设计了一种楔形微透镜阵列,可实现单个bar条的光束耦合进芯径200μm、NA=02的光纤。模拟计算结果表明,楔形微透镜阵列的补偿作用可使半导体激光阵列快轴方向的光参数积由6424mm·mrad下降到5814mm·mrad,光纤耦合效率达到956,相比补偿前提高了104。为降低工艺难度,采用分类补偿的方法,模拟光纤耦合效率达到915。考虑到工业应用,采用由三片楔形透镜组成的透镜组对分类后的发光单元光束分别进行补偿,测量得到的光纤耦合效率为904,比补偿光束指向性之前的耦合效率提高了约7。     

微光学元件阵列面阵LD光束整形及光纤耦合

采用微透镜阵列组成的快、慢轴准直器件进行高功率面阵半导体激光器阵列光束准直,从而减小其光参数积,进一步采用棱镜阵列对准直光束进行整形,实现两方向光束质量的平衡,使激光束的综合光参数积小于光纤的光参数积,提高光束质量,获得高耦合效率的光纤耦合模块.对5个吧条组成(每个吧条40 W、总输出功率为200 W)的面阵半导体激光器光束进行准直、整形聚焦并耦合到芯径800μm、数值孔径0.22的多模光纤,获得125.4 W的激光输出.     

大功率垂直腔底发射半导体激光器的光束质量

从M2因子、远场发散角、近场及远场光强分布等方面对大功率底发射半导体激光器光束质量进行研究,分析了不同器件参数对光束质量的影响,为寻找有效改善光束质量的方法提供了依据。设计了一种具有新型排列方式的垂直腔面发射半导体激光(VCSEL)阵列。通过调制阵列中各单元直径以及单元间距,在4 A的工作电流下得到1 kW/cm2的高功率密度和高斯远场分布。与具有相同出光面积的单管器件和4×4二维阵列比较,新型阵列的光谱特性及光束质量均具有优越性。     

基于微透镜阵列的高效率光纤耦合系统设计

光纤耦合是半导体激光器集成光源进一步改善输出光束质量和远距离传输的重要手段。然而,由于半导体激光器单管体积和散热的限制,合成后激光光源的输出光束光参量积仍较大,不利于与单根多模光纤的耦合;直接与光纤束耦合又受到光纤束填充比的限制。针对多个半导体激光器单管集成的光源,采用倒置前端光学放大系统,对合成光束直径进行压缩;并采用六方排列的微透镜阵列作为耦合元件,使其光瞳成像在光纤端面,从而实现微透镜与光纤的一对一耦合,得到理论无损耗的高效光纤耦合系统。为了改善光场边缘像差影响,采用空心光管进一步匀化光场分布,且减小了边缘光线的发散角,提高了边缘光线的成像质量,优化后的系统耦合效率达98%。这一系统利用微透镜阵列将光束分束、成像,克服了集成光源输出光束光参量积较大不易与单根光纤耦合的缺点;通过使微透镜的入瞳成像在光纤端面,且光纤束的排列与微透镜阵列排列相同,提高了光束与光纤束的耦合效率。     

基于808nm半导体激光器单管合束技术的光纤耦合模块

由于单管半导体激光器比半导体激光线阵、叠阵具有更好的光束质量及散热特性,因此更适用于光电干扰光源。针对于电荷耦合器件(CCD)光谱响应曲线特征,采用808nm单管半导体激光器为光源,将24只单管半导体激光器分组集成,通过空间合束和偏振合束以提高其输出功率密度,采用自行设计的光学系统对光束进行扩束聚焦,耦合进芯径为300μm,数值孔径0.22的光纤中,所有激光器都采用串联方式,在8.5A电流下通过光纤输出功率为162W,耦合效率达到84%。     

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.     

宽发光区二极管激光阵列的侧模简单研究

宽发光区二极管激光阵列的侧模分布十分复杂,很难将各阶侧模区分出进行单独研究。本文利用多光束相干合束理论给出了宽发光区二极管激光阵列相干合束远场分布的表达式,在此基础上获知远场光强分布的包络线由发光单元的侧模决定。从实验记录结果可以看出,利用外腔镜对宽发光区二极管激光阵列进行锁相,将某阶侧模锁定(其中基侧模最容易实现),抑制其他阶侧模,并获得相干合束的远场光强分布图。将理论分析结果与实验结果进行对比,能较好的吻合。结果表明,虽然LDA侧模结构复杂,较难分析,但可借助于宽发光区二极管激光阵列相干锁相分析侧模结构。所得结果表明利用宽发光区二极管激光阵列发光单元的侧模可以改善宽发光区二极管激光阵列光束质量。     

复合型微通道热沉设计与制作技术研究

从大功率半导体激光器可靠性封装和应用考虑,利用商用有限元软件Abaqus与CFdesign对微通道热沉材料、结构进行优化设计,结合相应的制造工艺流程制备实用化复合型微通道热沉。微通道热沉尺寸为27 mm×10.8 mm×1.5 mm,并利用大功率半导体激光阵列器件对所制备热沉进行散热能力、封装产生的"微笑效应"进行了测试,复合微通道热沉热阻约0.3 K/W,"微笑"值远小于无氧铜微通道封装线阵列,可以控制在1μm以下。复合型微通道热沉能满足半导体激光阵列器件高功率集成输出的散热需求与硬焊料封装的可靠性要求。     

半导体激光器阵列的“Smile”效应对光束质量的影响

建立"Smile"效应条件下半导体激光阵列近、远场模型,将光纤近场扫描法与高斯光束传输理论相结合,从理论和实验上证明了"Smile"效应值的大小与分布形态共同决定半导体激光器阵列快轴方向实际输出光束质量,获得了不同"Smile"效应条件下半导体激光阵列快轴方向光束参数积Kf值。     

太赫兹量子级联激光器及其光束表征技术

简要介绍太赫兹量子级联激光器(THz QCL)的工作原理及其进展。研究多个器件输出激光的光束质量,分别采用热探测器阵列和THz量子阱探测器(THz QWP)表征连续激射和脉冲激射THz QCL激光的光束图形,对比分析不同热探测器阵列对THz激光的表征能力,比较热探测器阵列和THz照相机对平行THz激光表征的差异。分析光束改善后THz激光光斑的尺寸、二维强度分布等特点,根据对THz QCL输出激光的改善效果,给出采用外部手段改善THz QCL激光光束的几种方法。研究表明,除了采用精细的波导工艺之外,锗(Ge)透镜、超半球高阻硅透镜和聚乙烯透镜都是外部改善技术中很好的手段。     

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。     

无输出镜外腔光谱合束结构对反馈效率的影响

半导体激光阵列无输出耦合镜外腔光谱合束技术利用光栅的0级和1级衍射光束反馈实现发光单元的波长锁定,避免了0级和1级衍射光束的转储和浪费,可以获得高的合束效率。因此,0级和1级衍射光束的反馈量高低就会决定外腔波长锁定的稳定性,进而影响合束后光束质量的高低甚至光谱合束的成败。针对此种结构,理论研究了两外腔长度、望远镜滤波结构及"Smile"效应对0级和1级衍射光束反馈效率的影响,结果表明：(1)外腔长度会影响反馈功率以及串扰程度;(2)望远镜滤波结构可以有效滤除大偏角杂散光束以及使光束正确反馈回原发光单元;(3)"Smile"效应的程度对反馈效率以及输出光束质量影响尤为严重,需要采取措施进行抑制。     

不同过渡热沉封装微盘腔半导体激光器热分析

为了降低微盘腔半导体激光器工作时有源区的温度,提升封装的可靠性,基于Ansys Workbench有限元分析分别对AlN,WCu10,SiC,石墨烯,以及CVD金刚石过渡热沉封装的蜗线型微盘腔半导体激光器进行了热特性分析,得到了器件工作时的温度分布以及热应力、热应变分布.结果显示,SiC封装器件的有源区温度较AlN和WCu10封装器件分别降低了 2.18,3.078 C,并在五种过渡热沉封装器件中表现出最低的热应力,器件热应变最小.SiC过渡热沉封装可以有效降低微盘腔半导体激光器工作时的有源区温度,同时减少封装应力与器件应变,从而提高器件的散热能力和可靠性.计算结果对半导体激光器单管散热及阵列集成散热均有指导意义.     

一种减少光谱组束光程的方法

介绍了一种减少半导体激光器阵列光谱组束(SBC) 整体光程的方法,即将传统SBC中传输透镜的汇聚和准直 作用分离,分别由两个透镜实现。起汇聚作用的透镜将各个发光单元的光束聚焦到光栅上, 实现各个发光 单元空间上的叠加;起准直作用的透镜在光栅之后将组合后的光束进行准直,使各个发光单 元锁定在不同 的波长上。由于起汇聚作用的透镜不需要再对各个发光单元的光束进行准直,汇聚透镜与巴 条前端面的距 离不再需要严格的等于传输透镜的焦距,二者之间的距离可以很近,因此整体的光程可以近 似地减少1/2, 使利用长焦传输透镜压窄线宽时各发光单元有足够的反馈量,抑制串扰,有利于实现多个巴 条的SBC。 采用标准的半导体激光阵列,实现连续输出激光功率为49.42W,电 光转换效率为42.7%,光谱线宽为8.5nm, 输出光束水平方向光束质量M²_x=1.29(0.4mm×m rad),竖直方向光束质量M²=11.6(3. 6mm×mrad),两个方 向的光束质量都与单个发光单元的光束质量接近。     

光纤激光非相干合成效果分析

为了研究光纤激光的非相干合成特性, 建立了圆环状排布的光纤激光阵列光束合成模型, 模拟分析了单元光束束腰半径w₀、波前畸变和光束间距对非相干及相干合成远场光束质量的影响。讨论了多路激光平行性对非相干合成效果的影响, 并进行了相关实验验证。结果表明, 单元光束无波前畸变时, 当光束间距为d₀=2.8w₀时, 非相干与相干合成光束质量相等; 单元光束存在波前畸变时, 光束间距有所减小, 这是因为波前畸变对非相干合成影响更小; 对于非相干合成, 随着多路激光之间不平行度的增大, 非相干合成光束质量逐渐变差, 并且单元光束质量越好, 对多路激光平行性要求越高。该研究可为实际光纤激光合成系统设计分析提供参考。     

高亮度光纤耦合二极管激光器的T-Bar设计

1 引言 二极管激光器(Laser Diode,LD)及其阵列(LaserDiode Array,LDA)具有体积小、重量轻、发光效率高、性能稳定、可靠性好和寿命长等优点,被认为是最具发展前途的激光器.二极管激光产品有单管、线阵、叠阵以及光纤耦合半导体激光器等几种类型,主要用于光存储、光通信、光电传感、泵浦以及直接材料加工等领域.高功率的二极管激光模块主要用于泵浦和直接材料加工,随着工业级激光器不断向更高功率发展,对二极管激光模块的亮度也提出了更高的要求.光纤耦合的二极管激光模块具有输出光束质量高、接近于点光源、光束方向易于调整和稳定性好等优点.是高亮度二极管激光器的理想解决方案.     

高亮度半导体激光器无输出耦合镜光栅外腔光谱合束

宽面发射半导体激光器的光谱合束技术对发展高功率直接半导体激光光源具有重要意义。光栅外腔光谱合束基于光栅的波长选择特性和外腔半导体激光技术,实现单个合束单元的光谱锁定和所有合束单元的合束输出,输出光束质量与单个合束单元相当,而亮度和功率得到很大的提高。基于无输出耦合镜光栅外腔光谱合束结构,实现了单个半导体激光短阵列的光谱合束,分析了光谱合束的输出光谱、输出功率和光束质量的特性,获得了70 A工作电流下40.8 W的连续输出功率,快轴和慢轴方向的光束质量分别为0.41 mmmrad和9.16 mmmrad （包含95%能量）,相应的电光转换效率为38.4%,亮度高达67.90 MW/（cm2sr）。     

半导体激光器叠阵无输出耦合镜光栅外腔光谱合束

宽面发射半导体激光器的光谱合束技术对发展高功率直接半导体激光光源具有重要意义。光栅外腔光谱合束基于光栅的波长选择特性和外腔半导体激光技术,实现单个合束单元的光谱锁定和所有合束单元的合束输出,输出光束质量与单个合束单元相当,亮度和功率得到很大提高。基于两个半导体激光器短阵列叠阵,进行了无输出耦合镜光栅外腔光谱合束实验研究,实现了12个半导体激光器短阵列的光谱合束。分析了光谱合束的输出光谱、输出功率和光束质量,在70 A的抽运电流下,连续输出功率为578 W,光谱带宽为10.26 nm,电光转换效率46.5%。