王智寧，于海娟，周闖 ，趙鵬飛 ，孫艷軍

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 全固態(tài)光源實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.北京市全固態(tài)激光先進(jìn)制造工程技術(shù)研究中心，北京 100083）

半導(dǎo)體激光器（LD）具有效率高、體積小、壽命長(zhǎng)、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于材料加工、顯示、成像、通訊、信息存儲(chǔ)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、檢測(cè)與計(jì)量以及軍用激光技術(shù)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，且極大地促進(jìn)了這些領(lǐng)域的快速發(fā)展［1］。近年來(lái)，在直接半導(dǎo)體激光工業(yè)加工應(yīng)用以及大功率光纖激光器泵浦需求的推動(dòng)下，近紅外波段的LD獲得飛速發(fā)展，單發(fā)光點(diǎn)的輸出功率已經(jīng)提高到幾十瓦，組束集成系統(tǒng)的輸出功率已經(jīng)達(dá)到幾十千瓦［2-5］。相比近紅外波段LD，可見光波段LD的輸出功率仍處于較低水平，尤其是綠光LD實(shí)現(xiàn)高功率輸出仍是當(dāng)前面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)［6，7］。早在上世紀(jì)九十年代人們就開始研究藍(lán)綠光LD，并在1996年研制出第一支基于InGaN量子阱結(jié)構(gòu)的405nm LD［8］，但在此之后，由于InGaN量子阱的物理和材料特性，波段移向綠光時(shí)效率大幅度降低，形成了“綠光缺口”。直到2009年歐司朗、日亞和住友推出了真正意義上的515nm～530nm的綠光LD［9］，綠光LD才逐漸進(jìn)入實(shí)用階段。雖然采用倍頻技術(shù)可獲得綠光固體激光器，但相比之下綠光LD體積更小、更穩(wěn)定、更廉價(jià)，也更適合商業(yè)應(yīng)用，例如，綠光指示筆中綠光LD逐漸替代了固體綠光激光器。2013年，日亞公司采用AlInGaN材料成功研制出TO封裝的1W、525nm的綠光LD單管，電光效率14.1%，壽命約15000h［10］，該產(chǎn)品的出現(xiàn)使得紅綠藍(lán)LD都達(dá)到了瓦級(jí)水準(zhǔn)，激光顯示的三原色變得完整，在微型投影儀中獲得廣泛應(yīng)用。2017年，Dilas推出了世界首款基于TO單管的綠光LD光纖耦合模塊，傳輸光纖芯徑200μm，輸出功率2W，電光轉(zhuǎn)換效率10%［11］，是鈦寶石激光振蕩器較為理想的泵浦源，但對(duì)更高功率的綠光LD光纖合耦模塊的需求，市場(chǎng)尚不能滿足。

為此，本文設(shè)計(jì)了高功率光纖耦合輸出綠光LD模塊。選用20支波長(zhǎng)520nm、輸出功率1W的TO封裝的綠光LD單管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，依次通過(guò)光束準(zhǔn)直、空間合束、擴(kuò)束整形與光纖耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了400μm光纖耦合輸出10W的綠光LD光纖耦合模塊，并對(duì)其光電特性進(jìn)行了測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)原理

為了獲得高功率的綠光輸出，實(shí)驗(yàn)采取多單管快慢軸空間合束的方式，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，所采用的單管是日亞公司生產(chǎn)的TO封裝的1W綠光單管。將經(jīng)過(guò)快慢軸準(zhǔn)直的20支單管分為兩組，每組10支對(duì)單管進(jìn)行快軸組束（x方向），然后兩組單管進(jìn)行慢軸組束（y方向），最終形成10×2的光斑分布。然后根據(jù)光纖參數(shù)積和組束光束參數(shù)積的匹配關(guān)系進(jìn)行光束縮束，最終經(jīng)過(guò)聚焦透鏡組耦合進(jìn)一條芯徑400μm、數(shù)值孔徑0.2的光纖內(nèi)。

圖1 綠光光纖耦合模塊結(jié)構(gòu)圖

在半導(dǎo)體激光器光纖耦合中，通常使用光參數(shù)積（BPP）這個(gè)概念來(lái)評(píng)價(jià)光束質(zhì)量，其定義為：［12，13］

式中，d0表示光斑束腰半徑，θ0表示光斑遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散半角，BPP表示其光束質(zhì)量。即單管的光束質(zhì)量可以表示為其光束束腰的半寬度乘以所對(duì)應(yīng)的發(fā)散半角。

1.1 單管的快慢軸準(zhǔn)直

實(shí)驗(yàn)中，采用日亞公司生產(chǎn)的中心波長(zhǎng)為520nm的綠光TO單管，詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 綠光單管半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)

綠光單管為TO封裝形式，TO單管的發(fā)光點(diǎn)與外表面有1mm的距離，如圖2所示。由表1可知，綠光單管快軸方向的發(fā)散角大于慢軸方向的發(fā)散角，但發(fā)光面在快軸方向的寬度遠(yuǎn)小于慢軸方向的寬度，因此其快軸方向的光束質(zhì)量要遠(yuǎn)好于慢軸方向的光束質(zhì)量。

圖2 綠光TO單管

根據(jù)綠光單管的基本參數(shù)，可由（1）式計(jì)算其初始的光束質(zhì)量：

式中，BPPf1是裸單管快軸方向的光束質(zhì)量，BPPs1是裸單管慢軸方向的光束質(zhì)量。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先要對(duì)單管進(jìn)行快慢軸準(zhǔn)直。由于單管的輸出光束在快軸方向發(fā)散角極大，為減小準(zhǔn)直后產(chǎn)生的像差，通過(guò)Zemax軟件設(shè)計(jì)了非球面的柱透鏡作為其快軸準(zhǔn)直鏡（FAC）。根據(jù)TO封裝單管的特點(diǎn)，將FAC的后焦距設(shè)計(jì)為1.9mm，準(zhǔn)直后快軸方向的光斑寬度為3.5mm。慢軸發(fā)散角雖相對(duì)較小，但為了更好的消除準(zhǔn)直后產(chǎn)生的像差，設(shè)計(jì)了兩片式結(jié)構(gòu)的慢軸準(zhǔn)直透鏡（SAC），其后焦距為37.2mm，準(zhǔn)直后慢軸方向的光斑寬度為7mm，圖3（a）和（b）分別為綠光LD單管快慢軸的準(zhǔn)直示意圖。準(zhǔn)直后的光斑近似為矩形，光強(qiáng)呈平頂分布，其大小為（3.5×7）mm。考慮到鏡片的加工誤差、裝調(diào)誤差等因素，準(zhǔn)直后的光束質(zhì)量會(huì)大于裸管的光束質(zhì)量，在后續(xù)的設(shè)計(jì)中應(yīng)該以準(zhǔn)直后實(shí)際測(cè)量的光束質(zhì)量作為輸入?yún)?shù)去進(jìn)行光束的整形與光纖耦合等設(shè)計(jì)。表2為實(shí)際測(cè)量的單管半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直后快慢軸方向的光束質(zhì)量。

圖3 快慢軸準(zhǔn)直原理圖

表2 單管半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直后快慢軸方向的光束質(zhì)量

1.2 空間合束及縮束

為了獲得高功率綠光輸出，實(shí)驗(yàn)采用快慢軸兩個(gè)方向空間合束的方式進(jìn)行功率擴(kuò)展，這種方法有效的利用了空間位置。采用20支綠光單管，將綠光單管的快軸方向垂直放置，慢軸方向水平放置，10支單管為一組，用反射鏡使其在快軸方向疊加，兩組單管通過(guò)設(shè)置高度差在慢軸方向進(jìn)行疊加，如圖4所示。

圖4 空間合束原理圖

空間合束后即形成10×2的光斑組束。由于光斑之間不能做到完全消除暗區(qū)，假設(shè)在快軸方向的光斑間隔為0.5mm，慢軸方向的光斑間隔為1mm，最終形成的光斑大小為：

式中，Dfast表示空間合束后快軸方向的光束長(zhǎng)度，Dslow表示空間合束后慢軸方向的光束長(zhǎng)度。空閑合束后的光斑的光束質(zhì)量為：

式中，BPPf2表示空間合束后快軸方向的光束質(zhì)量，BPPS2表示空間合束后慢軸方向的光束質(zhì)量?？臻g合束后，組束光束的光斑為離散的矩形狀光斑，大小約為35mm×15mm，光斑較大。因組束光束在快慢軸的光束質(zhì)量比較接近，為提高光纖的耦合效率，組束光斑在聚焦前應(yīng)該進(jìn)行放縮使得兩個(gè)正交方向的寬度大致相同。由于通常使用的聚焦鏡的直徑為25mm，因此選擇縮束比為2.3∶1的伽利略望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的柱透鏡組將快軸方向的光斑由35mm壓縮到15mm，最終組束光斑的尺寸為15mm×15mm。

1.3 光束的聚焦及光纖耦合

光纖耦合時(shí)最小的光斑尺寸等于光束的BPP與光纖的最大接收角之比。對(duì)于矩形光斑，快軸和慢軸方向的最小光斑計(jì)算公式相同［14，15］：

式（8）、（9）、（10）中DfFA和DfSA分別表示快慢軸光纖耦合的最小光斑直徑，Df表示光纖耦合時(shí)的光斑直徑。NFA和NSA分別表示快慢軸的單管個(gè)數(shù)。ωFA和ωSA分別表示快慢軸的半寬度，θFA和θSA分別表示快慢軸的發(fā)散角。理論上，聚焦后快慢軸的光斑需小于光纖芯徑的1/2倍，發(fā)散角需小于光纖數(shù)值孔徑的1/2倍。

通過(guò)（8）、（9）、（10）可以推算出光纖耦合前的最小光斑尺寸約為280μm，因此選用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的芯徑400μm、數(shù)值孔徑0.2的光纖來(lái)進(jìn)行光纖耦合，為使合束后的光束高效耦合進(jìn)光纖，需滿足以下條件［16-18］：

式（11）、（13）中Dlaser表示聚焦后的光斑大小，Df表示光纖芯徑。θlaser表示光斑聚焦后的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，θf(wàn)表示光纖的最大接收半角。ω′FA和ω′SA分別表示快慢軸縮束后的寬度，θ′max表示快慢軸準(zhǔn)直后的發(fā)散角的最大值，flaser表示聚焦鏡的焦距。將組束光束參數(shù)與光纖參數(shù)代入式（11）-（14），可獲得滿足條件的耦合透鏡焦距：

根據(jù)（15）式設(shè)計(jì)焦距為55mm消像差透鏡組作為耦合透鏡，光束通過(guò)耦合透鏡聚焦后的光斑如圖5所示。模擬結(jié)果顯示光斑的最大直徑小于400μm，并且耦合效率在98%以上。如圖5所示為光斑聚焦后的示意圖。

圖5 模擬中的光斑聚焦圖

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

TO綠光半導(dǎo)體單管的電光轉(zhuǎn)換效率為14%，有86%的熱量需通過(guò)熱沉導(dǎo)出，否則會(huì)引起有源區(qū)溫度升高，導(dǎo)致波長(zhǎng)紅移、閾值電流增大、輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率降低、壽命縮短甚至失效等一系列問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)采用銅熱層、水冷方式進(jìn)行散熱處理，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，快慢軸的準(zhǔn)直透鏡粘貼精度對(duì)后期的光纖耦合效率影響極大，少許誤差就會(huì)使得耦合效率大幅度降低。實(shí)驗(yàn)通過(guò)CCD進(jìn)行調(diào)試并觀察近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)的光斑大小，與模擬光斑進(jìn)行比較，找到最佳位置并通過(guò)紫外膠固定。由于鏡片加工的精度及紫外膠固化時(shí)的形變，使單管準(zhǔn)直后的光束質(zhì)量大于理論值。將20支準(zhǔn)直后的單管分為兩組按圖1所示進(jìn)行進(jìn)行快慢軸合束，然后對(duì)組束光斑進(jìn)行縮束，最終獲得一束15mm×15mm的矩形光束，經(jīng)測(cè)試該處的光功率為12W。光束通過(guò)耦合透鏡聚焦后，可獲得如圖7所示的聚焦光斑。該光斑近似為一圓形，由于15mm×15mm的方形光斑在正交的兩個(gè)方向光束質(zhì)量存在差異，且在空間合束的過(guò)程中上下兩排光束沒有做到完全一致，使得聚焦后快軸方向的光斑略大于慢軸方向的光斑。在室溫下通過(guò)測(cè)試不同工作電流下的光纖耦合前后的輸出功率，獲得該組束模塊的功率-電流特性曲線，如圖8所示。當(dāng)模塊在1.5A電流激勵(lì)下連續(xù)輸出功率達(dá)到10.1W，光纖的耦合效率約為84.2%。實(shí)驗(yàn)中所使用的高能光纖端面沒有鍍膜，產(chǎn)生菲涅爾反射，兩個(gè)端面各損失了大約4%的能量，其余為耦合透鏡的透射損耗和光纖端面的衍射損耗。

圖7 聚焦后的光斑圖

圖8 耦合前后功率-電流特性曲線

3 結(jié)論

采用Zemax設(shè)計(jì)了光纖輸出的綠光半導(dǎo)體激光模塊，實(shí)驗(yàn)上將20支520nm的TO封裝綠光單管通過(guò)快慢軸空間合束、光束縮束、聚焦，耦合進(jìn)芯徑400μm、數(shù)值孔徑為0.22的光纖中，光纖輸出功率10.1W，光纖耦合效率84.2%。下一步改進(jìn)，可通過(guò)改善快軸準(zhǔn)直、光纖端面鍍膜等方法提高光纖的輸出功率。在此模塊基礎(chǔ)上進(jìn)行偏振合束，可使輸出功率翻倍，為激光顯示和泵浦鈦寶石激光器提供高功率綠光半導(dǎo)體光源。

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