半导体激光器双波长光纤耦合模块的ZEMAX设计

为了发挥单管半导体激光器的优势,获得光纤耦合模块多波长、高功率、高亮度的光束输出,利用ZEMAX软件仿真模拟,设计了一种单管光纤耦合模块。此模块将32支输出波长分别为915 nm、975 nm,输出功率为15 W的单管半导体激光器,经过微透镜组快慢轴光束整形、空间合束、偏振合束、波长合束以及光束聚焦等一系列工艺后,耦合进芯径200 m、数值孔径0.22的光纤。模拟结果显示,光纤输出功率467.46 W,光纤前后耦合效率大于98.47%,总耦合效率高于97.39%,光功率密度高于12.86 MW/（cm2sr）,达到了泵浦激光器和功率型器件的性能要求。使用Solidworks软件设计了相应的底板结构,并结合ANSYS软件进行散热模拟分析,结果显示该模块散热性能良好,可行性较高。     

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%。     

高亮度半导体激光泵浦源光纤耦合系统设计

为了提高半导体激光器作为光纤激光器、固体激光器泵浦源的亮度，基于光束准直、空间光束合成、偏振光合成、光纤耦合等技术，提出了一种紧凑的光束整形系统来均衡半导体激光器快慢轴的光束质量，采用类似阶梯型棱镜和两个30°的直角棱镜填充快轴方向暗区，并用偏振合束器对慢轴光束宽度进行压缩的光束整形方案，设计出了一种紧凑的高亮度光纤耦合系统。该系统由8个mini-bar组成的半导体激光器叠阵耦合进芯径为100μm、数值孔径为0.22的光纤中，其输出功率为272.4 W，光光转换效率为85.1%，亮度高达22.832 MW/(cm²·sr)。     

楔形光纤排与半导体激光器耦合技术研究

首先从半导体激光器列阵的发光特性出发,利用楔形光纤排对大功率半导体激光器列阵光束进行耦合,最后得到一只含有19个纤芯,每个纤芯为200μm,数值孔径为0.12的大功率半导体激光器光纤耦合模块,输出功率为32.48W, 耦合效率为81.2%.     

高功率线阵半导体激光器光纤耦合实验研究

通过分析高功率线阵半导体激光器(DL)的激光输出特性,设计了一套光束变换装置,可将10 mm宽的线阵DL激光耦合进单根光纤中.变换过程如下:首先用微柱透镜对DL的快轴方向准直,然后利用微台阶反射镜,通过提高慢轴方向光束质量而降低快轴方向光束质量的方法,使得线阵DL两个方向的光束质量相近,从而可以汇聚成一接近圆形的光斑,再用聚焦透镜耦合进单根光纤中.在实验中实现了将输出功率为42 W的连续线阵DL的输出激光耦合进一根芯径为1 mm,数值孔径NA=0.38的光纤中,光纤输出激光功率为连续25 W,整个光束变换系统的耦合效率为59.5%.     

出纤功率30W的激光二极管线列阵光纤耦合器件

用一根柱透镜对大功率半导体激光器线列阵输出光束的快轴方向进行准直,准直后的光束耦合到光纤列阵中.大功率半导体激光二极管线列阵的输出功率为40W,线列阵有19个发光单元,每个发光单元的发光区面积为100μm×1μm.大功率激光二极管线列阵耦合后出纤功率为30W,耦合效率为75%,光纤的数值孔径为0.11.     

出纤功率30W的激光二极管线列阵光纤耦合器件

用一根柱透镜对大功率半导体激光器线列阵输出光束的快轴方向进行准直 ,准直后的光束耦合到光纤列阵中 .大功率半导体激光二极管线列阵的输出功率为 4 0 W,线列阵有 19个发光单元 ,每个发光单元的发光区面积为10 0μm× 1μm .大功率激光二极管线列阵耦合后出纤功率为 30 W,耦合效率为 75 % ,光纤的数值孔径为 0 .11     

高功率阵列半导体激光器的光纤耦合输出

采用柱透镜对10单元阵列半导体激光器的输出光束进行了有效收集和预准直及多模光纤之间的耦合实验。激光器采用808nm波长、150μm条宽的发射单元,周期为1000μm,与200μm芯径平端光纤阵列的耦合效率高达75％,光纤输出功率7．5W,分析了影响耦合效率的主要因素。     

基于光参数积的单管半导体激光器光束质量描述与评价

根据单管半导体激光器出射光束特点,分别采用1/e2、环围能量以及二阶矩定义描述光束束宽,在高斯光束近似下采用双曲线拟合法测算得到不同方法定义束宽时的光参数积(BPP),并与芯径为105μm、数值孔径为0.2的光纤所能接受的最大BPP进行比较。对该单管半导体激光器进行光纤耦合,实验中单管半导体激光边模数量随注入电流的增大逐渐增多,光束质量的恶化导致其光纤耦合效率逐渐降低,当注入电流由1 A增大到13 A时,光纤耦合效率由96.5%降为88.8%。研究表明以二阶矩定义束宽半径测算光参数积BPP去描述与评价单管半导体激光器光束质量特征是最为准确合理的。     

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.     

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。     

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.     

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）。     

半导体激光器光束匀化系统的光学设计

为了提高半导体激光器光束的均匀性,设计了非球面与微柱透镜阵列相结合的匀光系统。快轴方向利用光线追迹设计非球面匀化透镜;慢轴方向采用微柱透镜阵列对光束进行分割叠加。半导体激光器输出光束通过该匀光系统,在目标面上可以得到能量匀化的方形光斑。利用Zemax光学软件对半导体激光器单管和阵列进行匀化仿真,验证了该匀化系统应用于半导体激光器整形的可行性,得到了目标面动态范围变化对均匀度的影响程度,研究了微柱透镜阵列间距变化及快轴匀化透镜旋转对光斑均匀度的影响。单管和阵列在输出面上的光斑均匀度均大于90%,能量传输效率分别为95.4%和96.2%。该设计结果对半导体激光器光束匀化具有一定的参考价值。     

宽发射面激光二极管光束整形系统的光学设计

宽发射面激光二极管作为泵浦源在全固态激光器中得到了广泛的应用,但由于快慢轴发散角太大和发光面的不对称,所以需要对其进行光束整形。针对发光面为1m（快轴）200m（慢轴）且远场光斑为矩形光斑的宽发射面激光二极管,分析了输出光束在平行于p-n结方向上光场（侧模）的多光丝分布特性。通过在ZEMAX非序列里,设置合理的光丝间隔、尺寸和以纵模为间隔的多个波长,模拟了与实际相符的远场光斑。利用圆柱透镜压缩激光二极管快轴发散角,再用自聚焦透镜进行聚焦,最后在离自聚焦透镜后端面1.8 mm处得到快慢轴方向长分别为0.15 mm0.17 mm的方形光斑,且快慢轴方向发散角分别为3.32.4。同时,通过实验逐步比较了光束通过每一个光学元件后光斑形状的变化和光强分布,结果表明:宽发射面激光二极管光束整形中,通过引入侧模光丝结构的矩形光斑模拟方法是可行的。     

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。     

新型激光二极管列阵光束整形方法

设计并制作了一套简单有效的光束整形系统,用以改善激光二极管列阵器件(LDA)的光束质量,减小快慢轴光束质量积的差别,实现高亮度光纤耦合输出。首先采用快慢轴准直透镜压缩LDA的发散角,然后采用双面分区镀膜的单片平面镜,通过反射和折射将压缩后的LDA慢轴方向的光束分为7束,并将7束子光束在快轴方向重新排列,实验测得整形装置的效率为95.2%。该整形系统设计简单,效率高,具有很高的应用价值。     

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。     

光学组合半导体激光器输出光束特性研究

为了评价光学组合半导体激光器的输出光束性能,采用两种方法从理论上分析了光学组合半导体激光器的输出光束的光束传播因子.第1种方法与传统堆栈式半导体激光器的光束质量评价方法类似,通过几何光学得到光束束宽;第2种方法采用管芯光强分布的类高斯模型计算输出光束的二阶矩进而得到光束束宽,最后均得到输出光束的光束传播因子与激光条单元数及激光条包含管芯数的关系.进行了3个激光条组成的光学组合半导体激光器的实验,获得输出功率120W,功率密度209W/cm2,光束平均间距1.1mm,整体光束传播因子M2=197.对比了两种方法及实验结果.结果表明,这两种方法可以用来估算光学组合半导体激光器的输出光束质量.