880nm半導體激光主動照明光纖耦合模塊

2010年1月,西安炬光科技有限公司在國內首次推出連續(xù)半導體激光器光纖耦合模塊fc(fibercoupled)系列產(chǎn)品。這是一款融合了炬光科技多項創(chuàng)

利用階梯反射鏡整形技術分別對兩個功率為40w的半導體激光器光束進行鏡面分割,旋轉重排后使用偏振分光棱鏡(pbs)進行合束,最后得到功率為55.8w、耦合效率約為70%的半導體激光列陣(lda)單光纖耦合模塊,光纖芯徑為φ400μm,數(shù)值孔徑(na)為0.22。經(jīng)過連續(xù)100h的正?？綑C后,功率穩(wěn)定。

光纖耦合輸出的高功率激光二極管模塊具有體積小、光束質量好、亮度高等特點,在泵浦光纖激光器、材料處理、醫(yī)療儀器等領域都獲得了廣泛的應用。為了進一步提高光纖耦合激光二極管模塊的輸出功率,提出了基于多只激光二極管串聯(lián)的光纖耦合方法。這種方法具有耦合效率高、光學元件加工簡單等特點。利用兩組反射鏡,將多只高功率激光二極管輸出光束經(jīng)準直、復合、聚焦,耦合進光纖輸出,根據(jù)激光二極管和光纖的相關參數(shù)設計了聚焦透鏡。利用特殊加工的aln材料作為過渡熱沉解決了激光二極管的導熱和相互之間的絕緣問題。采用這種方法將4只輸出波長為980nm的高功率激光二極管輸出光束耦合進數(shù)值孔徑0.22、芯徑100μm的多模光纖中,當工作電流為4.0a時,光纖連續(xù)輸出功率為11.6w,耦合效率大于79%。

隨著半導體激光光源在激光加工領域的應用不斷擴展,以激光二極管陣列制成的光纖耦合模塊由于存在耦合效率低的缺點,已不能滿足激光加工低成本的需求,因此研制高耦合效率的半導體激光器光纖耦合模塊變得十分重要。本文將8只波長為808nm、輸出功率為5w的單管半導體激光器通過合束技術耦合進光纖,制備了一種高效率的半導體激光器光纖耦合模塊。光纖芯徑為200μm、數(shù)值孔徑(na)為0.22,光纖輸出功率為33.2w,耦合效率超過83%,這種高效率半導體激光器光纖耦合模塊,可用于激光打標、塑料加工等領域。

文章從高功率半導體激光器光纖耦合模塊的組成和各個部分的機理出發(fā),詳細分析了影響其可靠性的因素,主要有以下三個方面:激光器自身的因素、耦合封裝工藝和電學因素。通過優(yōu)化原有工藝與采用新技術,提高了模塊的可靠性,拓寬了其應用領域。

利用光纖柱透鏡和光束轉換裝置壓縮半導體激光器列陣(lda)的發(fā)散角,然后通過聚焦透鏡將激光束耦合入芯徑為400μm的微球透鏡光纖。lda與光纖耦合輸出后,實現(xiàn)33w的高出纖功率,最高耦合效率大于80%,光纖的數(shù)值孔徑(na)為0.22。

采用一種階梯排列結構的單管激光器合束技術制成了高亮度半導體激光器光纖耦合模塊,可用于泵浦摻y(tǒng)b3+大模場雙包層光纖激光器。利用微透鏡組對各單管半導體激光器進行快慢軸準直,在快軸方向實現(xiàn)光束疊加,然后通過兩組消球差設計的柱面透鏡組分別對合成光束快慢軸方向進行聚焦,耦合進入光纖。實驗中將6只輸出功率為6w的976nm單管半導體激光器輸出光束耦合進芯徑為105μm、數(shù)值孔徑為0.15的光纖中,當工作電流為6.2a時,光纖輸出功率達29.0w,光纖耦合效率達到80.1%,亮度超過4.74mw/cm2-str。

根據(jù)大功率半導體激光二極管列陣與光纖列陣耦合方式,分別從理論和實驗兩方面討論、分析了大功率半導體激光二極管列陣與微球透鏡光纖列陣耦合。將19根芯徑均為200μm的光纖的端面分別熔融拉錐成具有相同直徑的微球透鏡,利用v形槽精密排列,排列周期等于激光二極管列陣各發(fā)光單元的周期。將微球透鏡光纖列陣直接對準半導體激光二極管列陣的19個發(fā)光單元,精密調節(jié)兩者之間的距離,使耦合輸出功率達到最大。半導體激光二極管列陣與微球透鏡光纖列陣直接耦合后,不僅從各個方向同時壓縮了激光束的發(fā)散角,有效地實現(xiàn)了對激光束的整形、壓縮,而且實現(xiàn)30w的高輸出功率,最大耦合效率大于80%,光纖的數(shù)值孔徑為0.16。

隨著光纖激光器技術的飛速發(fā)展,作為光纖激光器泵浦源的高功率,高亮度的大功率半導體激光器光纖耦合模塊越來越受到人們的關注。提高光纖耦合效率和光纖耦合模塊的可靠性,有效控制大功率半導體激光器光纖耦合模塊的溫度成為人們關注的重點。

應用zemax光學設計軟件模擬了一種多芯片半導體激光器光纖耦合模塊,將12支808nm單芯片半導體激光器輸出光束耦合進數(shù)值孔徑0.22、纖芯直徑105μm的光纖中,每支半導體激光器功率10w,光纖輸出端面功率達到116.84w,光纖耦合效率達到97.36%,亮度達到8.88mw/(cm2·sr)。通過zemax和origin軟件分析了光纖對接出現(xiàn)誤差以及單芯片半導體激光器安裝出現(xiàn)誤差時對光纖耦合效率的影響,得出誤差對光纖耦合效率影響的嚴重程度從大到小分別為垂軸誤差、軸向誤差、角向誤差。

基于光學設計軟件zemax純非序列,設計了一種半導體激光器與單模光纖的高耦合效率系統(tǒng).設計過程中考慮了激光器發(fā)光面的大小,而不是將其看做點光源;在現(xiàn)有的非球面鏡透鏡單模光纖耦合系統(tǒng)基礎上進行了改進,通過百萬次光線追跡,測得所設計系統(tǒng)的耦合效率大于54%.用zemax和origin軟件分析了單模光纖與耦合系統(tǒng)對接出現(xiàn)誤差情況下對耦合效率的影響,分別給出了各種對接誤差情況下的耦合效率變化曲線,為耦合系統(tǒng)的工程安裝提供理論分析和技術支持.

針對808nm大功率gaas/gaalas半導體量子阱激光器的遠場光場分布特點,提出了與多模光纖耦合時對耦合光學系統(tǒng)的特殊要求,并根據(jù)低成本、實用化的要求設計制作了專用的耦合光學系統(tǒng),對耦合光學系統(tǒng)的實際性能進行了測試,給出了耦合效率統(tǒng)計分布圖、耦合偏差曲線和高低溫可靠性實驗結果.用設計制作出的實用化耦合光學系統(tǒng)完成了輸出功率15—30w,光纖束數(shù)值孔徑為0.11—0.22的半導體激光光纖耦合模塊,模塊的使用結果表明耦合光學系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、實用

針對808nm大功率gaas/gaalas半導體量子阱激光器的遠場光場分布特點，提出了與多模光纖耦合時對耦合光學系統(tǒng)的特殊要求，并根據(jù)低成本、實用化的要求設計制作了專用的耦合光學系統(tǒng)，對耦合光學系統(tǒng)的實際性能進行了測試，給出了耦合效率統(tǒng)計分布圖、耦合偏差曲線和高低溫可靠性實驗結果。用設計制作出的實用化耦合光學系統(tǒng)完成了輸出功率15－30w，光纖束數(shù)值孔徑為0．11－0．22的半導體激光光纖耦合模塊，模塊的使用結果表明耦合光學系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、實用。

文中提出了一種實現(xiàn)半導體激光器和多模光纖耦合的實用化方法。用一段直徑為600μm的裸石英光纖代替柱透鏡對半導體激光器輸出光束進行準直整形;用半球端光纖對光束進行聚焦后直接實現(xiàn)和光纖耦合,來代替聚焦透鏡和光纖耦合的環(huán)節(jié)。研究表明:采用該方法耦合效率在80.0%左右,同時最大程度解決了使用柱透鏡和聚焦透鏡的組合透鏡耦合系統(tǒng)時存在的調試與封裝困難的問題,且工藝穩(wěn)定,因而有著廣泛的應用前景。

建立了半導體激光器與單模光纖通過球透鏡耦合的光傳輸模型,對雙異質結激光器光束特性進行了分析?；趆uygens-fresnel原理計算了激光光束遠場發(fā)散角以及光束束腰半徑。運用高斯光束與單模光纖耦合理論以及abcd矩陣理論進行了激光器與單模光纖的球透鏡耦合效率分析,給出了最優(yōu)化的耦合封裝工藝參數(shù),以及各個影響耦合效率的參數(shù)容忍度,對半導體激光器與單模光纖的球透鏡耦合封裝具有重要意義。

為了實現(xiàn)半導體激光器與單模光纖快速精確耦合對準,需分析對準平臺的擾動特性.首先,基于半導體激光器與單模光纖的對準誤差,構建了五維對準平臺.然后,針對半導體激光器與單模光纖對準過程中運動誤差的隨機性問題,運用多體系統(tǒng)理論,建立了對準平臺的拓撲結構模型,并分析了其運動過程中的位姿,得到了半導體激光器末端點運動誤差模型.最后,利用montecarlo方法,結合該運動誤差模型,對運動誤差進行了概率分析.結果表明:在不考慮靜止誤差的情況下,半導體激光器末端點的位置在x、y和z三個方向的運動誤差近似為中間高兩邊低的對稱分布.此分析可為對準過程中運動誤差補償提供數(shù)據(jù)參考.

采用梯度折射率光纖透鏡耦合法實現(xiàn)了半導體激光器到單模光纖的高效率耦合,并在這一系統(tǒng)基礎上完善了半導體激光器全光纖耦合的abcd矩陣理論。實驗中,利用梯度折射率光纖的聚焦特性,選取合適的長度,實現(xiàn)了半導體激光器到單模光纖的高效率耦合,最大耦合效率達80.5%。此全光纖耦合方式具有體積小、制作簡單、成本低等優(yōu)點,對低成本、實用化的尾纖輸出半導體激光器的實現(xiàn)具有重要的意義。

采用射線法,計算增益隨波長的變化,推導出光纖光柵外腔半導體激光器(fgesl)輸出譜的表達式.結合載流子速率方程,對外腔半導體激光器輸出譜的精細結構進行了數(shù)值模擬研究.結果表明:光纖光柵外腔的輸出譜在反射帶寬內呈現(xiàn)出多峰結構,隨著前端面反射率減小和耦合效率增加,輸出譜相應地變得比較穩(wěn)定.

根據(jù)雙光纖bragg光柵(fbg)外腔半導體激光器相干失效的物理過程,運用速率方程和雙fbg耦合模理論,分析了雙fbg外腔半導體激光器相干失效產(chǎn)生和控制的條件,提出了實現(xiàn)和控制雙fbg外腔半導體激光器相干失效多模穩(wěn)定工作的方法.雙fbg外腔半導體激光器在相干失效下具有多模的穩(wěn)定工作狀態(tài),相干失效長度縮短,相干失效長度內光譜穩(wěn)定.實驗測量結果表明,外腔反射率為3%時,從非相干失效狀態(tài)到相干失效狀態(tài),半峰值全寬度從0.5nm突然展寬到0.9nm.在相干失效狀態(tài)下,功率穩(wěn)定,邊模抑制比大于45db,在0℃~c一70℃工作溫度范圍內峰值波長漂移小于0.5nm,最小相干失效長度小于0.5m.雙fbg外腔半導體激光器相干失效的應用對提高光纖放大器和光纖激光器的性能具有重要意義.

建立了半導體側面泵浦模塊中激光晶體的吸收光場分布模型,利用matlab軟件計算了吸收光場的歸一化分布形貌,提出了兩個重要參數(shù):陣列切向位移量與徑向角度偏離度。結果表明:當陣列切向位移量為0~0.5mm時,晶體相對吸收強度、光場均勻性等參數(shù)基本不變;當該數(shù)值大于0.5mm時,吸收強度急劇下降、光場不均勻性急劇增加;相比而言,徑向角度偏移對晶體吸收光場分布的影響較小,總體上呈現(xiàn)隨著該數(shù)值的增加,吸收強度減小、光場不均勻性增加。以上研究結論為目前半導體側泵模塊的研制生產(chǎn)提供了理論指導。

光纖通信實驗報告 1 半導體激光器p-i特性測試實驗 實驗室名稱：光纖通信實驗室實驗日期：2011年04月26日 學院 信息科學與工 程學院 專業(yè)、班級 電子信息工 程0802 姓名黃俊 實驗名稱半導體激光器p-i特性測試實驗 指導 教師 王瑋 教師評語 教師簽名： 年月日 實驗目的： ⒈學習半導體激光器發(fā)光原理和光纖通信中激光光源工作原理 ⒉了解半導體激光器平均輸出光功率與注入驅動電流的關系 ⒊掌握半導體激光器p（平均發(fā)送光功率）-i（注入電流）曲線的測試方法 實驗內容： ⒈測量半導體激光器輸出功率和注入電流，并畫出p-i關系曲線。 ⒉根據(jù)p-i特性曲線，找出半導體激光器閾值電流。 實驗器材： ⒈光纖通信原理實驗箱1臺 ⒉光功率計1臺 ⒊fc/pc-fc/pc單模光跳線1根 ⒋萬用表1臺 ⒌

提出了優(yōu)化由兩個均勻布拉格光纖光柵組成的980nm半導體激光器波長鎖定器的方法以滿足光纖放大器對半導體激光器的性能要求。運用耦合模理論推導了雙布拉格光纖光柵(fbg)的透射率和反射率的解析表達式和波長鎖定器增益方程。研究了兩光柵之間的距離、光柵到激光器前端面的距離、光柵折射率、光柵折射率周期、光柵柵長和溫度對激光器增益曲線的影響,并通過優(yōu)化這些參數(shù)來達到最佳的鎖模性能。測量了帶雙fbg波長鎖定器的非致冷半導體激光器的輸出光譜和出纖功率。實驗結果表明:高功率非致冷980nm半導體激光器在0～70℃時的波長漂移為0.5nm,邊模抑制比達45db以上,半峰值全寬度<1nm。經(jīng)優(yōu)化設計的980nm半導體激光器fbg波長鎖定器可滿足光纖放大器對非致冷半導體激光器大功率、長壽命、高可靠性、小尺寸等性能的要求。