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作者：Jörg Neukum博士，DILAS Diodenlaser GmbH

单发射体或阵列配置（也称为半导体激光器巴条）中的多模半导体激光器，已经成为多种应用中的固态激光器光学泵浦的首选泵浦源。当用于光纤激光器的光学泵浦源时，单发射体和巴条各有特定的优缺点。单发射体的优势在于能够实现可大规模量产，并具有相对良好的热管理能力；而巴条则在光学亮度、小巧的体积（同等输出功率条件下），以及通过几个单体光学元件对多个发射体进行光束整形方面，具有自身优势。

通过开发专门的芯片结构，以及针对光纤激光器泵浦应用对模块进行专门的设计和优化，半导体激光器巴条已经能够实现自动化生产和光纤耦合，同时降低了对相邻发射体的热影响。

优化的芯片结构

传统上，激光二极管巴条可以描述为位于一个非常薄的外延生长层上、由光刻定义的激光发射体阵列。芯片宽度通常为10mm，发射体的谐振腔为1mm，其大约比阵列宽度小一个数量级。这些单晶半导体结构沿垂直于发射体的平面断开，随后暴露面被镀上反射膜。

在最初使用高功率半导体激光器时，其可提供的光功率通常会受到端面上光学反射膜的损伤阈值（COMD=灾变性光学镜面损伤）的限制，这样就只能通过增加发射体宽度、以及增加发射体数目来提高功率。更宽的发射体将会导致更高的光束发散，并会对相邻的发射体产生更大的热影响，这就是众所周知的热串扰，其最终会导致每个单独发射体的光束整形损耗。

光学端面镀膜技术的进一步发展，已经实现了更加耐用的反射镜，从而可以通过使用腔长更长、宽度更窄的发射体（降低发散）和更大的发射体间距（减少热串扰）来提高功率。这种半导体激光器巴条的外观接近正方形，其发射体的腔长和阵列宽度在同一尺寸范围，但是发射体的数量却只有标准阵列的25％。这使得激活体积与标准巴条相当，从而实现了与标准巴条接近的功率输出。这些巴条通常被称为迷你巴条（Mini-bar）、超级巴条（Super-bar）或“T型巴条”（T-Bar，定制巴条）。在这种巴条中，发射体之间较大的间距，允许使用易于加工的SAC（慢轴准直）透镜阵列对所有发射体的输出光进行准直。发射体尺寸的减小，能够降低光束发散，从而使光纤耦合变得更加容易。

目前用于标准激光二极管巴条封装的自动硬焊接封装技术，也能够用于上述迷你巴条的封装。由于这些迷你巴条的宽度更小，因此与10mm宽的激光二极管巴条相比，其“smile效应”大大改善，从而使得随后的FAC透镜（用于准直垂直于封装平面的输出光）和SAC透镜阵列（用于准直封装平面每个发射体的输出光）的光学准直变得更加容易，并能实现自动化操作。

光纤耦合基本模块

为了建立具有较少泵浦源耦合点的光纤激光器，单个泵浦模块应有尽可能高的输出功率。最初的目标是建立具有简化的光学概念（进而能实现自动化生产）的、基于迷你巴条的模块，用其作为976nm标准巴条泵浦源的等效元件，并通过芯径200µm（NA=0.2）的光纤实现无包层的135W输出功率（见图2）。当然，更进一步的目标是提高输出功率，以在材料成本和制造成本保持不变的情况下，降低每瓦成本。

当耦合单个发射体（宽度约为100µm，高度约为1µm）时，由于较大的宽高比，光纤的孔径没有完全使用。合适的光束整形和一定数量的发射体堆叠，能够充分使用光纤的孔径。为了实现这个目标，将几个传导冷却的迷你巴条与光束整形所必需的微光学元件一起在底板上二维排列，底板采用底部冷却方式。装有迷你巴条和微光学元件的底板，可以看成一块可自动配置的电路板。此处与标准巴条的一个重要区别是，需要对微光学元件进行主动准直，同时还要考虑光纤耦合所必需的参数。

图1：光纤耦合基本模块的底板原理示意图

自动化生产的保证，加上微光学元件的主动准直，使得堆叠和准直光束的光束特性具有高度重复性，从而实现光纤耦合。

 坚固的设计

由于上述提及的模块具有高度一致性，因此在进行光纤耦合时，无需将准直光束聚焦到固定的光纤上。相反，这些模块可以配备可拆卸的光纤，这使光纤激光器的装配更加容易。

图2：光纤耦合输出的976nm基本模块的特性曲线和电光效率，输出光纤芯径200µm、数值孔径为0.2，输出功率为135W。

该光纤耦合基本模块通过芯径200µm的光纤（数值孔径0.2）获得的无包层泵浦功率为135W，并有水冷式SMA模式分离接头。这些电光参数是在驱动电流小于30A、工作电压低于12V的情况下获得的。因此，该模块实际上是以最大效率驱动的，这也将延长其使用寿命。

从特征曲线可以看出，在比额定驱动电流高很多的情况下，没有显示任何热下降，这些已经可以看出这种设计的坚固性。如前所述，中期目标是提高该基础模块和其中包含的迷你巴条的功率水平，以便能通过芯径200µm、数值孔径为0.2的光纤获得功率为200W的976nm输出光。

该基础模块结构紧凑（130mm×65mm×39mm）、质量轻巧（小于1kg），因此这些模块能够紧密排列（见图3）。例如，可以使用12个泵浦模块获得135W×12=1620W的总泵浦功率，该功率足够实现功率为1kW的光纤激光器。目前，Rofin集团的FL-Line系列等产品已经采用了该泵浦模块。

图3：紧凑排列的基于迷你巴条的光纤耦合基础模块。

高度集成的光纤耦合模块

通过空间重叠和偏振复用，能够进一步提高目前全系列的976nm光纤耦合模块的输出功率。

图4：基于迷你巴条的光纤耦合半导体激光器模块产品系列。

目前，由四个完全装配的耦合基础模块组成的激光二极管模块，通过芯径200µm（数值孔径为0.2）的光纤可以获得大于600W的输出功率。显然，目前标准SMA光纤不能用在该功率水平下，而必须使用高功率水冷光纤。这些模块的外形尺寸为285mm×250mm×100mm，依然非常紧凑。

图5：基于四个976nm基础模块的光纤耦合模块（输出光纤芯径200µm、数值孔径0.2）的特性曲线和电光效率。

所有介绍的模块都经过专门设计，包含用作光纤激光器的泵浦模块、用于功率监控的光学传感器、温度传感器以及光纤激光器波长保护滤光片。

无论是已经实现的、还是理论上可以实现的光学输出功率水平，最终的额定输出功率水平将会考虑市场所预期的产品使用寿命。

光谱宽度的缩小

图6：带VBG和不带VBG的集成光纤耦合模块（输出功率600W；输出光纤芯径200µm、数值孔径0.2）用作标准模块。

通过使用体布拉格光栅（VBG），上述激光二极管模块的光谱宽度可以进一步缩小。这些布拉格光栅也能够自动准直。这些带VBG的模块在额定功率90％处的光谱宽度通常小于1nm。

总结

本中介绍了第一代针对特定应用优化的光纤激光器泵浦模块，该模块基于传导冷却的迷你巴条，其制造流程高度自动化。随着光纤耦合激光二极管基础模块（135W，200µm，数值孔径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块系列也已面世。更高输出功率（高达600W）的模块也得以展示，并将在进一步优化后推向市场。

该模块采用开放式设计，可使用附加的光学元件，如体布拉格光栅（VBG），以减小光谱宽度并增强波长稳定性。

注：本文最初刊登在《LASER》杂志上。