基于偏振折疊的光纖耦合實(shí)驗(yàn)研究

譚 昊，郭林輝，高松信，李建民，尹新啟，武德勇，唐 淳

(1.中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所，四川綿陽(yáng) 621900;

2.中國(guó)工程物理研究院高能激光科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽(yáng) 621900)

基于偏振折疊的光纖耦合實(shí)驗(yàn)研究

譚 昊1，2，郭林輝1，2，高松信1，2，李建民1，2，尹新啟1，2，武德勇1，2，唐 淳1，2

(1.中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所，四川綿陽(yáng) 621900;

2.中國(guó)工程物理研究院高能激光科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽(yáng) 621900)

基于二極管激光器mini-bar的光纖耦合方式是一種降低耦合系統(tǒng)成本并提高整體轉(zhuǎn)換效率的方法。提出一種偏振折疊的光束整形方式，并采用一種CW 50 W mini-bar進(jìn)行了相關(guān)耦合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。針對(duì)mini-bar的特殊結(jié)構(gòu)與散熱需求，設(shè)計(jì)了針對(duì)mini-bar封裝用的特種微通道冷卻器，并通過(guò)封裝實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證設(shè)計(jì)有效。將10片封裝在銅微通道冷卻器上的CW 50W mini-bar組裝成兩列各5 bar的疊陣，實(shí)現(xiàn)了兩列疊陣的激光束沿快軸方向的空間合成，合成后輸出功率439 W，空間耦合效率97%。根據(jù)耦合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了400μm芯徑、0.22 NA的光纖耦合實(shí)驗(yàn)，得到光纖輸出端脈沖激光功率186.9W，整體光光效率為52.2%。

二極管激光器;mini-bar;偏振折疊;空間疊加;光纖耦合

1 引 言

光纖耦合輸出的二極管激光器(diode laser，DL)模塊具有結(jié)構(gòu)緊湊、亮度高、可靠性高等特點(diǎn)，在泵浦光纖激光器、材料處理、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。通常這種激光器都采用標(biāo)準(zhǔn)線陣二極管激光器(cm-bar)，但由于其慢軸方向的光束質(zhì)量較差，無(wú)法直接耦合進(jìn)入光纖，需要對(duì)其光束進(jìn)行切割重排，以平衡快慢軸的光束質(zhì)量，并滿足光纖束參積(beam parameter product，BPP)的要求。

如此造成耦合系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、效率較低，且難以滿足光纖激光器與材料處理等應(yīng)用中的亮度要求。為解決這個(gè)問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)采用發(fā)光單元(emitter)的尺寸、個(gè)數(shù)、腔長(zhǎng)與周期(pitch)經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì)的mini-bar，其慢軸方向的光束發(fā)散角相對(duì)較小，寬度較窄，改善了器件在慢軸方向的光束質(zhì)量，避免了厘米bar在光纖耦合中需要采用復(fù)雜光束整形系統(tǒng)這一缺陷，在效率與成本方面都具有較大優(yōu)勢(shì)。

2 耦合設(shè)計(jì)

2.1 耦合設(shè)計(jì)原則

要實(shí)現(xiàn)二極管激光的高效光纖耦合，需要關(guān)注DL的結(jié)構(gòu)與發(fā)光輻射特性、封裝技術(shù)以及在其與光纖之間的一系列光學(xué)系統(tǒng)。通常情況下一個(gè)DL光纖耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Scheme of a fiber coupling system

根據(jù)拉格朗日不變量可知，光束經(jīng)過(guò)無(wú)像差的光學(xué)系統(tǒng)，其發(fā)散角與束腰會(huì)發(fā)生改變，但是兩者乘積保持不變，因此使用二極管激光的BPP與光纖的BPP進(jìn)行比較則可判斷光束是否能被耦合進(jìn)入光纖。

在光纖耦合設(shè)計(jì)中，DL光束的BPP必須滿足:

式中，Qfast為快軸的BPP;Qslow為慢軸的BPP;Qfiber為光纖可接收的最大BPP;ω0為DL的光束束腰半徑; θ0為光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散全角。并且Qfast與Qslow須盡可能一致。

考慮到DL的輸出特性，首先根據(jù)mini-bar慢軸方向的BPP，確定快軸方向芯片的數(shù)量，使快慢軸BPP盡量一致。其次，根據(jù)光束快軸與慢軸方向上的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角與束腰，設(shè)計(jì)慢軸擴(kuò)束與聚焦光學(xué)系統(tǒng)，其原則是慢軸擴(kuò)束后光束的發(fā)散角與束腰盡可能與快軸相一致。最后，根據(jù)具體應(yīng)用需求，考慮采用空間耦合、偏振合束與波長(zhǎng)疊加的方式進(jìn)一步提高系統(tǒng)輸出功率。

2.2 基于偏振折疊的光纖耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)0.22 NA、400μm芯徑的光纖大于150W的激光輸出。實(shí)驗(yàn)選用CW 50W mini-bar進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種 mini-bar的 emitter寬度為 90μm，pitch為500μm，腔長(zhǎng)為3.6 mm，emitter個(gè)數(shù)為10，輸出光束慢軸發(fā)散角6°，波長(zhǎng)為980 nm。可以計(jì)算出CW 50 W mini-bar慢軸方向的BPP為28.75 mm·mrad，設(shè)計(jì)采用偏振折疊的光束整形法縮小慢軸方向的BPP，滿足光纖芯徑的要求。采用疊陣封裝形式，微通道冷卻器厚1.8 mm，通過(guò)空間耦合的方式進(jìn)一步提高輸出功率，如圖2所示。

圖2 DL疊陣與空間耦合示意圖Fig.2 Scheme of DL stack and spatial coupling

在實(shí)際封裝過(guò)程中，由于芯片焊接與堆疊等封裝工藝的限制，需要引入各種誤差考慮:堆疊引入的慢軸指向性偏差±0.05°及芯片焊接時(shí)的定位誤差±0.3 mm;偏振折疊中，分光后兩束光的指向偏差±0.1°與光瞳偏差±0.3 mm;空間耦合引入的兩列疊陣之間的快慢軸指向偏差±0.05°，慢軸方向光瞳偏離值±0.3 mm。計(jì)算得到快軸方向最多可以堆疊5片 mini-bar，空間耦合后快軸方向 BPP為25.26 mm·mrad，慢軸方向 BPP為 24.75 mm· mrad。根據(jù)式(1)計(jì)算可知，要實(shí)現(xiàn)此空間疊加模塊的光纖耦合，對(duì)應(yīng)0.22 NA的光纖其芯徑不能小于319μm?？梢詫⒖臻g疊加后的光束耦合進(jìn)入0.22 NA、400μm芯徑的光纖。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 基于偏振折疊的光纖耦合光路原理示意圖Fig.3 Scheme of a fiber coupling system based on polarization folding

3 mini-bar封裝設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

3.1 mni-bar封裝設(shè)計(jì)

與厘米bar相比，mini-bar特殊的結(jié)構(gòu)使其腔長(zhǎng)約為厘米bar的兩倍，且腔面輸出光功率密度比厘米bar的高，微通道冷卻器需具有更強(qiáng)的散熱能力，特別是沿腔長(zhǎng)方向上的散熱能力，因此需要針對(duì)mini-bar的特殊需求設(shè)計(jì)新型的高效冷卻器。

考慮到實(shí)際加工難度，實(shí)驗(yàn)所使用的銅微通道冷卻器采用6層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，每層厚0.3 mm，整體長(zhǎng)28.5 mm，寬11.8 mm，微通道寬100μm，微通道肋片寬200μm，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。設(shè)微通道冷卻器中冷卻水的流量為0.35 L/min，溫度為25℃，設(shè)mini-bar電－光轉(zhuǎn)換效率為60%，且熱功率均勻分布在10個(gè)emitter上，采用ANSYS進(jìn)行計(jì)算，得到mini-bar輸出光功率50 W時(shí)的溫度分布如圖5所示。

圖4 微通道冷卻器結(jié)構(gòu)Fig.4 Schematic illustration ofmicrochannel heat sink structure

圖5 溫度分布Fig.5 Temperature distribution of diode laser heat sink design

芯片激活區(qū)相對(duì)于冷卻水的熱阻Rthermal可以由進(jìn)行計(jì)算。可以看出CW 50 W mini-bar工作時(shí)結(jié)區(qū)溫度約為40.3℃，根據(jù)式(3)計(jì)算得到芯片激活區(qū)相對(duì)于冷卻水的熱阻為0.47℃/W。

3.2 mni-bar封裝實(shí)驗(yàn)與性能測(cè)試

CW 50 W mini-bar的封裝實(shí)物如圖6所示。驅(qū)動(dòng)電流為CW 50 A時(shí)測(cè)得CW 50W mini-bar的P-IE曲線如圖7所示，其斜率效率約為1 W/A，電－光轉(zhuǎn)換效率最大為62.2%，中心波長(zhǎng)為975.85 nm，光譜半高寬約為3.66 nm。慢軸遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角為5.8° (FW1/e2)。

在加載連續(xù)電流的條件下，測(cè)得不同溫度下閾值電流的變化。熱沉溫度從15℃增加到30℃時(shí)，CW 50 W mini-bar的閾值電流從3.82 A增加到4.1 A。在加載1%占空比(Duty Cycle，DC)準(zhǔn)連續(xù)電流的條件下，測(cè)得mini-bar的中心波長(zhǎng)隨溫度的變化曲線與加載連續(xù)電流的條件下中心波長(zhǎng)隨芯片熱功率變化，得到CW 50 W mini-bar的Δλ/ΔT= 0.336 nm/℃，Δλ/ΔQ=0.178 nm/W，由式(3)可以計(jì)算出芯片激活區(qū)相對(duì)于冷卻水的熱阻 Rthermal= 0.530℃/W，中心波長(zhǎng)漂移 5.8 nm，結(jié)區(qū)溫度42.3℃。與理論計(jì)算結(jié)果較為一致。

根據(jù)設(shè)計(jì)，將10片CW 50W mini-bar組裝為5 bar×2的CW 50 W mini-bar空間耦合疊陣，如圖8所示。驅(qū)動(dòng)電流為CW 50 A時(shí)測(cè)得其輸出功率439 W，空間耦合效率97%。

圖6 銅微通道熱沉封裝的CW 50W mini-barFig.6 Mini-barmounted on microchannel heatsink

圖7 CW 50W Mini-bar的P-I-E曲線Fig.7 P-I-E curve of CW 50W mini-bar

圖8 Spatial couplingmoduleFig.8 CW 50 W mini-bar空間耦合疊陣

4 基于偏振折疊的光纖耦合實(shí)驗(yàn)

偏振合束法是利用偏振耦合器將偏振方向的互相垂直的兩束光合成，是提高DL光束亮度的一種方法。考慮DL光纖耦合中對(duì)慢軸方向光束質(zhì)量的要求，設(shè)計(jì)一種光束整形法，將同一束光沿慢軸方向分為兩部分，通過(guò)偏振合束法合成，將亮度、光束質(zhì)量同時(shí)提高一倍，即偏振折疊光束整形法。如圖3所示。

根據(jù)耦合設(shè)計(jì)，采用CW 50 W mini-bar空間耦合疊陣進(jìn)行光纖耦合實(shí)驗(yàn)。得到偏振折疊前后的光斑照片如圖9所示。偏振折疊整形后的光束經(jīng)聚焦透鏡會(huì)聚，在驅(qū)動(dòng)電流為1%DC、50 A時(shí)由CCD采集到的焦點(diǎn)光斑強(qiáng)度分布如圖10所示。圖中白色圓圈的直徑為400μm。

由于使用的光纖無(wú)法承受高功率，因此在加載1%DC、50 A的準(zhǔn)連續(xù)電流時(shí)，進(jìn)行了耦合效率測(cè)試。測(cè)得光纖前后脈沖激光功率分別為258.5 W、186.9 W，耦合效率約為 72.3%，整體光光效率為52.2%。

圖9 偏振折疊前后的光斑圖Fig.9 Beam profile of polarization folding

圖10 焦點(diǎn)光強(qiáng)分布Fig.10 Intensity distribution before coupling

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)不同部位光功率的監(jiān)測(cè)，得到準(zhǔn)直透鏡透過(guò)率98.1%、空間耦合效率為96.9%、慢軸擴(kuò)束器傳輸效率為92.0%、偏振折疊效率為84.9%，聚焦透鏡組傳輸效率為97.4%。可以看出，除光學(xué)元件的傳輸損失外，影響整體耦合效率的主要因素為偏振折疊與光纖耦合造成的功率損失。偏振折疊部分的損失主要為芯片輸出光束為偏振度95%的p光，以及半波片與平面反射鏡造成的損失。耦合效率過(guò)低的原因則是偏振折疊中，光束經(jīng)3塊平面反射鏡反射后造成的指向性偏差增大了光束的BPP，并使焦點(diǎn)處光強(qiáng)分布不均勻，影響了光纖耦合效率。

下一步計(jì)劃通過(guò)檢測(cè)折疊后光束的遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度分布來(lái)進(jìn)行偏振折疊部分的調(diào)節(jié)工作，通過(guò)測(cè)量與計(jì)算掌握偏振折疊后光束的BPP，以提高系統(tǒng)的耦合效率。另外，嘗試對(duì)偏振折疊部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，減少平面反射鏡的使用以降低可能因平面反射鏡裝調(diào)誤差造成的指向性偏差。

5 結(jié)論

本文提出一種偏振折疊的光束整形方式，并采用一種CW 50 W mini-bar完成了相關(guān)耦合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。針對(duì)mini-bar的特殊結(jié)構(gòu)與散熱需求，設(shè)計(jì)了針對(duì)mini-bar封裝用的特種微通道冷卻器，并通過(guò)封裝實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證設(shè)計(jì)有效。將10片封裝在銅微通道冷卻器上的CW 50W mini-bar組裝成兩列各5 bar的疊陣，實(shí)現(xiàn)了兩列疊陣的激光束沿快軸方向的空間合成，合成后輸出功率439W，空間耦合效率97%。根據(jù)耦合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了400μm芯徑、0.22 NA的光纖耦合實(shí)驗(yàn)，得到光纖輸出端脈沖激光功率186.9W，整體光光效率為52.2%。下一步工作將主要針對(duì)偏振折疊部分進(jìn)行調(diào)整以提高耦合效率。

［1］Haag M，K hler B，Biesenbach J，et al.Novel high brightness fiber coupled diode laser device［C］//Proc of SPIE.2007:64560T.

［2］Friedrich Bachmann，Peter loosen，Reinhart Poprawe.High power diode lasers:technology and applications［M］.Springer，2007:147－158.

［3］GUO Linhui，GAO Songxin，WU Deyong，et al.Beam collimation of diode laser vertical stack［J］.High Power Laser and Particle Beams，2011，23(3):577－580.(in Chinese)

郭林輝，高松信，武德勇，等.二極管激光器垂直陣列光束精密準(zhǔn)直［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2011，23(3): 577－580.

［4］GAO Songxin，WU Deyong，WANG Jun，et al.Multiplayer bonding technique for high power diode laser package［J］.High Power Laser and Particle Beams，2003，15(5): 447－449.(in Chinese)

高松信，武德勇，王駿，等.高功率二極管激光器封裝的多層焊接技術(shù)［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2003，15(5): 447－449.

［5］GAO Xin，BO Baoxue，QIAO Zhongliang，et al.Single fiber coupling of multi-linear-array-diode-lasers［J］.Acta Photonica Sinica，2010，39(7):1229－1234.(in Chinese)

高欣，薄報(bào)學(xué)，喬忠良，等.多線陣半導(dǎo)體激光器的單光纖耦合輸出［J］.光子學(xué)報(bào)，2010，39(7): 1229－1234.

［6］WANG Zuolan，Segref A，Koenning T，et al.Fiber coupled diode laser beam parameter product calculation and rules for optimized design［C］//Proc of SPIE，2011:791809.

［7］Wolf P，K hler B，Rotter K，et al.High-power，highbrightness and low-weight fiber coupled diode laser device［C］//Proc of SPIE，2011:791800.

［8］Koenning T，Alegriaa K，Wang Zuolan，et al.Macro-channel cooled，high power，fiber coupled diode lasers exceeding 1.2kW of output power［C］//Proc of SPIE.2011:79180E.

［9］PittroffW，Erbert G，Eppich B，et al.Conductively cooled 1 kW-QCW diode laser stacks enabling simple fiber coupling［J］.IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies，2010，33(1):206－214.

［10］GUO Linhui，TANG Chun，WU Deyong，et al.Measurement of“smile”for high-power diode laser array［J］.High Power Laser and Particle Beams，2009，21(2):196－197.(in Chinese)

郭林輝，唐淳，武德勇，等.大功率二極管激光線陣的“smile”測(cè)量方法［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2009，21(2): 196－197.

Experimental study on fiber coupling based on polarization folding

TAN Hao1，2，GUO Lin-hui1，2，GAO Song-xin1，2，LIJian-min1，2，YIN Xin-qi1，2，WU De-yong1，2，TANG Chun1，2
(1.Institute of Applied Electronics，CAEP，Mianyang 621900，China;
2.The Key Laboratory of Science and Technology on High Energy Laser，CAEP，Mianyang 621900，China)

Fiber coupled system based onmini-bar is an effectiveway for avoiding complex beam shaping to reduce the costs and improve brightness.A beam shapingmethod named polarization folding is designed to reduce BPP of slow axis to a half，and the fiber coupling scheme based on polarization folding is also given.A microchannel heatsink is designed for the special demand ofmini-bar package，and it had been proved according to the result of packaging experiment.439W output power ofmini-bar spatial couplingmodule and 97%spatial coupling efficiency are achieved by spatial coupling of two 5 mini-bar stacks.A peak power of186.9W is achieved in the fiber coupling experiment，the O-O efficiency is about52.2%.

diode laser;mini-bar;polarization folding;spatial coupling;fiber coupling

TN253

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.04.00 2

1001-5078(2014)04-0361-05

國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(No.60890201);中物院應(yīng)用電子學(xué)研究所所自研課題(No.2011JGZY05);中國(guó)工程物理研究院高能激光科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)基金(No.HEL2013－11)資助。

譚 昊(1985－)，男，博士，主要從事二極管激光器及應(yīng)用技術(shù)研究。E-mail:tanhaomf@163.com

2013-08-26