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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(dǎo)體激光器巴條）中的多模半導(dǎo)體激光器，已經(jīng)成為多種應(yīng)用中的固態(tài)激光器光學(xué)泵浦的首選泵浦源。當(dāng)用于光纖激光器的光學(xué)泵浦源時(shí)，單發(fā)射體和巴條各有特定的優(yōu)缺點(diǎn)。單發(fā)射體的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)崿F(xiàn)可大規(guī)模量產(chǎn)，并具有相對(duì)良好的熱管理能力；而巴條則在光學(xué)亮度、小巧的體積（同等輸出功率條件下），以及通過(guò)幾個(gè)單體光學(xué)元件對(duì)多個(gè)發(fā)射體進(jìn)行光束整形方面，具有自身優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)開(kāi)發(fā)專門的芯片結(jié)構(gòu)，以及針對(duì)光纖激光器泵浦應(yīng)用對(duì)模塊進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，半導(dǎo)體激光器巴條已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)和光纖耦合，同時(shí)降低了對(duì)相鄰發(fā)射體的熱影響。

優(yōu)化的芯片結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)上，激光二極管巴條可以描述為位于一個(gè)非常薄的外延生長(zhǎng)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(gè)數(shù)量級(jí)。這些單晶半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)沿垂直于發(fā)射體的平面斷開(kāi)，隨后暴露面被鍍上反射膜。

在最初使用高功率半導(dǎo)體激光器時(shí)，其可提供的光功率通常會(huì)受到端面上光學(xué)反射膜的損傷閾值（COMD=災(zāi)變性光學(xué)鏡面損傷）的限制，這樣就只能通過(guò)增加發(fā)射體寬度、以及增加發(fā)射體數(shù)目來(lái)提高功率。更寬的發(fā)射體將會(huì)導(dǎo)致更高的光束發(fā)散，并會(huì)對(duì)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?dāng)_，其最終會(huì)導(dǎo)致每個(gè)單獨(dú)發(fā)射體的光束整形損耗。

光學(xué)端面鍍膜技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了更加耐用的反射鏡，從而可以通過(guò)使用腔長(zhǎng)更長(zhǎng)、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?dāng)_）來(lái)提高功率。這種半導(dǎo)體激光器巴條的外觀接近正方形，其發(fā)射體的腔長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)陣列的25％。這使得激活體積與標(biāo)準(zhǔn)巴條相當(dāng)，從而實(shí)現(xiàn)了與標(biāo)準(zhǔn)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(jí)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(zhǔn)直）透鏡陣列對(duì)所有發(fā)射體的輸出光進(jìn)行準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)激光二極管巴條封裝的自動(dòng)硬焊接封裝技術(shù)，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(yīng)”大大改善，從而使得隨后的FAC透鏡（用于準(zhǔn)直垂直于封裝平面的輸出光）和SAC透鏡陣列（用于準(zhǔn)直封裝平面每個(gè)發(fā)射體的輸出光）的光學(xué)準(zhǔn)直變得更加容易，并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(diǎn)的光纖激光器，單個(gè)泵浦模塊應(yīng)有盡可能高的輸出功率。最初的目標(biāo)是建立具有簡(jiǎn)化的光學(xué)概念（進(jìn)而能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)）的、基于迷你巴條的模塊，用其作為976nm標(biāo)準(zhǔn)巴條泵浦源的等效元件，并通過(guò)芯徑200µm（NA=0.2）的光纖實(shí)現(xiàn)無(wú)包層的135W輸出功率（見(jiàn)圖2）。當(dāng)然，更進(jìn)一步的目標(biāo)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(dāng)耦合單個(gè)發(fā)射體（寬度約為100µm，高度約為1µm）時(shí)，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(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，將幾個(gè)傳導(dǎo)冷卻的迷你巴條與光束整形所必需的微光學(xué)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(xué)元件的底板，可以看成一塊可自動(dòng)配置的電路板。此處與標(biāo)準(zhǔn)巴條的一個(gè)重要區(qū)別是，需要對(duì)微光學(xué)元件進(jìn)行主動(dòng)準(zhǔn)直，同時(shí)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(dòng)化生產(chǎn)的保證，加上微光學(xué)元件的主動(dòng)準(zhǔn)直，使得堆疊和準(zhǔn)直光束的光束特性具有高度重復(fù)性，從而實(shí)現(xiàn)光纖耦合。

 堅(jiān)固的設(shè)計(jì)

由于上述提及的模塊具有高度一致性，因此在進(jìn)行光纖耦合時(shí)，無(wú)需將準(zhǔn)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(guò)芯徑200µm的光纖（數(shù)值孔徑0.2）獲得的無(wú)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(qū)動(dòng)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(shí)際上是以最大效率驅(qū)動(dòng)的，這也將延長(zhǎng)其使用壽命。

從特征曲線可以看出，在比額定驅(qū)動(dòng)電流高很多的情況下，沒(méi)有顯示任何熱下降，這些已經(jīng)可以看出這種設(shè)計(jì)的堅(jiān)固性。如前所述，中期目標(biāo)是提高該基礎(chǔ)模塊和其中包含的迷你巴條的功率水平，以便能通過(guò)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(chǔ)模塊結(jié)構(gòu)緊湊（130mm×65mm×39mm）、質(zhì)量輕巧（小于1kg），因此這些模塊能夠緊密排列（見(jiàn)圖3）。例如，可以使用12個(gè)泵浦模塊獲得135W×12=1620W的總泵浦功率，該功率足夠?qū)崿F(xiàn)功率為1kW的光纖激光器。目前，Rofin集團(tuán)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(chǔ)模塊。

高度集成的光纖耦合模塊

通過(guò)空間重疊和偏振復(fù)用，能夠進(jìn)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(dǎo)體激光器模塊產(chǎn)品系列。

目前，由四個(gè)完全裝配的耦合基礎(chǔ)模塊組成的激光二極管模塊，通過(guò)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)976nm基礎(chǔ)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(guò)專門設(shè)計(jì)，包含用作光纖激光器的泵浦模塊、用于功率監(jiān)控的光學(xué)傳感器、溫度傳感器以及光纖激光器波長(zhǎng)保護(hù)濾光片。

無(wú)論是已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的、還是理論上可以實(shí)現(xiàn)的光學(xué)輸出功率水平，最終的額定輸出功率水平將會(huì)考慮市場(chǎng)所預(yù)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(biāo)準(zhǔn)模塊。

通過(guò)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(jìn)一步縮小。這些布拉格光柵也能夠自動(dòng)準(zhǔn)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(jié)

本中介紹了第一代針對(duì)特定應(yīng)用優(yōu)化的光纖激光器泵浦模塊，該模塊基于傳導(dǎo)冷卻的迷你巴條，其制造流程高度自動(dòng)化。隨著光纖耦合激光二極管基礎(chǔ)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(dá)600W）的模塊也得以展示，并將在進(jìn)一步優(yōu)化后推向市場(chǎng)。

該模塊采用開(kāi)放式設(shè)計(jì)，可使用附加的光學(xué)元件，如體布拉格光柵（VBG），以減小光譜寬度并增強(qiáng)波長(zhǎng)穩(wěn)定性。

注：本文最初刊登在《LASER》雜志上。