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作者：Paul Wolf，Bernd Köhler，Karsten Rotter；DILAS公司

 在过去的几年中，高功率固体激光器，特别是光纤激光器已经获得了越来越多的应用。高功率、高亮度光纤耦合半导体激光模块作为这些激光器的泵浦源，其市场需求也在显著增长。半导体激光系统的主要优势包括电源转换效率高、光功率高、可靠耐用、对环境条件要求宽松以及体积小、质量轻等。

 然而，要想获得有效的光纤耦合，需要对慢轴光束质量（通常限制大面积半导体激光器巴条的有效耦合）进行调整以适合光纤需求。基于标准的10mm宽巴条的半导体激光系统，通常采用光束变换系统来调节巴 美国留学条件 澳大利亚留学 澳大利亚留学网条或叠阵输出的高度非对称光。这些光束变换系统（棱镜阵列、透镜阵列、光纤束等）成本高昂，并且整个系统的效率也会随着复杂性的增加而降低^[1]。

 为了提高光纤耦合半导体激光器的亮度，DILAS公司始终致力于开发可定制的迷你型巴条，其相比于传统的10mm巴条拥有诸多优势。这些迷你巴条的优点之一是：其仅在快轴准直透镜（FAC）和慢轴准直透镜（SAC）中使用了微光学元件，在无需其他光束变换元件的情况下，就能将输出光有效地耦合到直径200μm、NA为0.22的光纤中。因此，这是一套非常简化的高亮度高效光学系统。

 提高半导体激光系统（特别是泵浦源系统）性能的另一个重要方法是控制泵浦模块的峰值波长和线宽。通过VGH（VHG）等外部元件可以实现波长控制。光谱稳定的半导体激光模块的主要优势在于：温度和电流对模块的光谱特性影响较小。因此，其对冷却系统的要求降低，并且模块可以在恶劣环境下工作。对于反射镜介电镀膜以及偏振耦合器的损耗而言，波长控制同样具有优势。此外，波长稳定还可以确保模块在整个工作范围和生命周期内的泵浦稳定有效。

 除了上述优点，半导体激光器系统对芯片材料的要求同样可以放宽，因此可以获得更高的产量。然而，需要指出的是，所有这些性质均取决于锁定范围，并且这些优点并不能同时拥有^[2]。锁定范围主要由VGH的反射率、巴条输出端面的反射率、以及锁定波长与不采用VGH的半导体激光器的波长差决定。

 波长稳定的高功率半导体激光器模块的特性

 （1）波长稳定的675 W / 200μm原型的设计与性能

为了满足市场对紧凑型以及高亮度的需要，必需开发结构紧凑、波长稳定的光纤耦合半导体激光模块。这意味着必须对二极管的机械架构、光路以及光学设计进行优化，以维持二极管的初始亮度。图1显示了675W激光模块的设计图。

图1：波长稳定装置的光路图。采用空间合成以及偏振耦合，可以获得高亮度。

巴条分四个阵列排布，每个阵列排布7个巴条，整个模块共28个巴条。28个巴条均采用FAC及SAC透镜准直。每两个阵列沿快轴方向利用若干折叠镜堆叠，最后对两个堆叠的输出光束进行偏振耦合，以增强模块亮度。

 为了获得球形聚焦物镜上的对称光束，在慢轴方向采用柱透镜望远镜对光束进行扩束。最后再利用球形透镜组将光束聚焦到直径200μm、NA=0.22的模式分离（mode stripped）光纤。所用光纤为Optoskand公司生产的水冷增透镀膜QBH光纤。

 首先对原型装置进行测量以检验光学性质，包括电光转换效率以及不使用VGH时的光谱。图2中，左图显示了采用直径200μm、NA=0.22光纤的原型装置的输出功率随电流的变化关系，以及相应的电光效率。工作电流为40.5A时，输出功率达到最大值775W；输出功率为440W时，电光效率达到最大值48%，并且在整个工作范围内均高于42%。功率-电流曲线的斜率直到700W时依然保持线性增长。目前研究人员正致力于将这一线性关系提升到更高的电流值。图2中，左图给出了原型装置的光谱特征曲线；右图显示了光谱的峰值波长位于974nm处，线宽为5.1nm（包含了90%的功率）。

图2：（左图）不采用VGH的原型模块的功率及效率随电流变化的曲线，工作温度20°C；（右图）模块的光谱曲线，峰值波长974nm，线宽5.1nm（包含了90%的功率）。

接下来要使用VGH改善该模块的光谱特征。研究人员测试了反射率在3%~15%之间的若干个VGH。发射率的选择需要在不同工作条件下的锁定范围与VGH的插入损耗之间权衡决定。值得注意的是，巴条反射率并没有依照VGH的反射率进行优化。为了降低成本并减小光学系统的复杂性，每个二极管阵列仅采用一个通用VGH。

 图3显示了采用了VGH的模块的输出功率及波长的测量结果。其中左图显示了采用直径200μm、NA=0.22光纤的模块的输出功率与电流之间的函数关系，以及相应的电光效率。当电流为36.5A时，可获得675W的目标输出功率，总电光效率达42.5%。当采用VGH后，由于其引入了相应的损耗，因此最大输出功率有所下降；当电流为37.4 A时，输出功率达到最大值690W。

 右图显示了该装置的光谱测量结果。模块的中心波长稳定在976.8nm，线宽降至0.7nm（包含90%的功率）。

图3：（左图）采用VGH的模块的功率及效率随电流变化的曲线，工作温度为22°C。（右图）模块的光谱曲线，峰值波长976.8nm，线宽0.7nm（包含90%的功率）。

 为了确定原型模块的锁定范围，DILAS对不同温度、不同电流条件下的光谱特征作了详尽研究，结果如图4所示。左图显示了恒定工作电流条件下，温度范围在18~35°C之间的波长变化。中心波长的漂移仅为0.012nm/°C。右图显示了波长随电流在20~40A之间变化的函数关系，相应的波长漂移仅为0.008nm/A。

图4：原型模块在18~35℃的温度范围内（左图）以及在20~40A的电流范围内（右图）的光谱曲线。

图5显示了第一台原型装置实物图，其外观尺寸为285mm×250mm×100mm。该模块的主体是一台包含整个光学装置的坚固机箱。四个二极管基板由侧面插入，并通过螺丝固定在机箱上。模块化的设计允许分别更换每个二极管阵列。模块采用坚固的铝材料外壳时，总重量超过8kg。也可以采用镁合金等低密度材料作外壳来降低质量。另外，也可以通过进一步改进机械架构将模块重量减轻4kg。

图5：第一台675W原型模块，外观尺寸为285mm×250mm×100mm。

为了保护巴条，可以选择对每个模块加装截止滤波片，以阻挡固体激光器的输出光，这对光纤激光器而言更为重要。此外，系统设计还可以包括温度传感、光纤互锁、引导光束、功率监测以及不同种类的光纤适配器等额外配件。

DILAS表示下一个目标是进一步优化二极管基板和模块的重量以及空间设计。该模块的重量有望减小到1.25kg。

此外，通过优化巴条的亮度（提高单个发射体的输出功率或者减小慢轴发散度）可以将模块的输出功率提高到1kW甚至更高，DILAA表示该目标有望于今年实现。如果上述两点改进都得以实现的话，用户最终将能获得重量1.25kg、输出功率1kW的模块。

 （2）波长稳定的200W/ 200μm原型的设计与性能

该原型模块中包含7个二极管巴条，其开发目的获得在成本和总体效率方面均获得改进的紧凑型产品。DILAS最终设计出了外观尺寸为130mm×65mm×39mm、重量仅为904g的模块（如图6）。该模块可采用标准的SMA905光纤及新开发的SMA0.5光纤，并可用工业水冷却。

图6中，右图显示了该模块的输出功率随电流的变化关系。采用直径200μm、NA=0.22光纤的最大输出功率为230W，相应的电流为40A。电流为34.7 A时，可以获得目标功率200W，相应的电光效率超过52%。

图6：（左图）采用SMA0.5光纤接头的200W半导体激光器模块。（右图）20°C时该模块的输出功率及效率随电流的变化曲线。

 对于低功率应用而言，光纤耦合模块通常采用标准的SMA905接头。然而，这些接头的功率损耗较大。如果输出功率超过200W，则该问题更为关键，特别是与纤芯直径较小的模式分离连用时该问题更为突出。这样高功率模块的另一格选择是采用可靠的水冷工业用光纤，例如Optoskand公司生产的QBH光纤。然而这些光纤成本较高，在紧凑性方面也存在不足。

 Optoskand公司新推出的SMA0.5接头（如图7）^[3]，其不但可靠性高，而且颇具成本优势。SMA0.5接头有多种光纤端面增透镀膜可供选择。

图7：Optoskand公司推出的SMA0.5光纤接头。

 该模块的波长稳定图如图8所示。左图显示了采用直径200μm、NA=0.22光纤的模块的输出功率及效率随电流的变化关系，以及相应的电光效率。电流为42A时获得最大输出功率200W。右图是该模块的光谱曲线。中心波长976.7nm，线宽减小至0.5nm（包含90%的功率）。

图8：（左图）采用VGH的200W原型模块的功率及效率随电流的变化曲线。（右图）该模块的光谱曲线。峰值波长976.7nm，线宽0.5nm（包含90%的功率）。

小结

上述介绍的第一个原型模块包含四个基本的构成单元，第二个原型是仅采用一个基本单元的轻便紧凑型模块。另外，在模块的开发过程中，DILAS还成功地测试了Optoskand公司新推出的SMA0.5光纤接头的性能。该接头光纤适用于高功率应用，并且在成本和尺寸方面均具有优势。

基于现有的模块化设计概念，DILAS有望开发出高功率、高亮度、轻便小巧的kW级半导体激光器产品。这些产品将在航空以及国防工业等多个领域获得广泛应用。

参考文献

1. M.Haag et al.; “Novel high-brightness fiber coupled diode laser device”; Proc. SPIE Vol. 6456 (2007)

2. B. Köhler et al.; “Wavelength stabilized high-power diode laser modules”; Proc. SPIE Vol. 7198 (2009)

3. S. Campbell, O. Blomster, M. Palsson; “Comparison of small fibre connectors for high-power transmission”;

Proc. SPIE Vol. 7578 (2010).