高亮度半導(dǎo)體激光系統(tǒng)中光學(xué)元件的自動組裝技術(shù)

劉學(xué)東，辛宇波，李洋，范杰

（1.長春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022；2.吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院，長春 130031）

近年來，由于半導(dǎo)體激光相對于其他激光器系統(tǒng)具有高功率密度、高亮度，高轉(zhuǎn)化效率、小型化易集成等特點(diǎn)，在激光加工、光譜分析、醫(yī)療，國防等領(lǐng)域的獲得了廣泛的應(yīng)用。圖1為半導(dǎo)體激光器相對于CO2激光器、Nd：YAG激光器、光纖激光器在光電轉(zhuǎn)化效率和使用壽命方面的比較。并且，隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)的發(fā)展，多家研究機(jī)構(gòu)在半導(dǎo)體激光器單元器件方面取得了許多進(jìn)展。如費(fèi)迪南德-布勞恩研究所研制的條寬96μm單管器件輸出功率高達(dá)為24.6w［1］、較高的光電轉(zhuǎn)換效率（大于70%）［2-3］、巴條激光器連續(xù)輸出功率已達(dá)到1000w以上，在連續(xù)高功率條件下使用壽命大于10000小時［4］。

圖1 半導(dǎo)體激光器與CO2激光器、Nd：YAG激光器、光纖激光器比較

目前，高亮度光纖耦合半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)，無論作為工業(yè)加工的直接光源還是作為光纖激光器、盤型激光器等固體激光器泵浦源，其內(nèi)部集成的單元發(fā)射元件主要為單管半導(dǎo)體激光器和短陣列半導(dǎo)體激光器。雖然單個半導(dǎo)體激光器在很多方面都有突破，但是其光束質(zhì)量和激光功率并沒有滿足材料加工和科研等領(lǐng)域的要求，為了進(jìn)一步拓展半導(dǎo)體激光應(yīng)用，提出了許多光束整形和光束合束的技術(shù)。在提高光束質(zhì)量方面，采用階梯排列的方式在快軸方向疊加以得到光束質(zhì)量均勻的矩形光斑［5］，利用離軸非球面反射光學(xué)系統(tǒng)以獲得均勻的出射光束［6］，還有用于巴條迭陣激光器光束轉(zhuǎn)換的光束切割，重排等的光學(xué)元件［7］。在提高輸出功率方面，經(jīng)常采用空間合束、偏振合束、波長合束技術(shù)，對多個子光束進(jìn)行引導(dǎo)合并，進(jìn)而耦合進(jìn)相應(yīng)多模光纖內(nèi)部。表1為國際上9xxnm波段高亮度光纖耦合半導(dǎo)體激光器泵浦源的發(fā)展情況［8-14］。

目前國內(nèi)的主要的研究單位有中科院長春光機(jī)所、中科院北京半導(dǎo)體所、中科院光電技術(shù)研究所、中國電子科技集團(tuán)公司13所、44所、北京開普林公司、西安炬光科技、長春新產(chǎn)業(yè)、北京工業(yè)大學(xué)、長春理工大學(xué)等單位。2012年中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究院采用串聯(lián)耦合多單管方法，將24只8W、808nm單管LD，通過空間合束、偏振合束，擴(kuò)束聚焦到300μm，NA0.22光纖內(nèi)。輸出功率為162W，耦合效率84%［15］。2014年北京凱普林研制的9xxnm光纖激光器泵浦源把芯片發(fā)出的光通過微光學(xué)元器件聚焦到200μm/0.22NA光纖中，輸出功率為200W，光電轉(zhuǎn)換效率為48%。

1 高亮度半導(dǎo)體激光器自動裝配技術(shù)

高亮度半導(dǎo)體激光器光纖耦合技術(shù)的難點(diǎn)在于組裝的高精度，模塊的高生產(chǎn)率和光學(xué)系統(tǒng)的簡單化設(shè)計(jì)。

隨著耦合光纖出射功率的不斷提高，器件整體所需的半導(dǎo)體激光器數(shù)量和內(nèi)部光學(xué)元件數(shù)量將會成比例增加，同時對準(zhǔn)直精度的要求也會相應(yīng)更高。例如，2012年，美國Fraunhofer激光技術(shù)中心研制的輸出功率＞700W的高亮度半導(dǎo)體激光模塊，采用空間合束和偏振合束技術(shù)將120個單管半導(dǎo)體激光器快慢軸準(zhǔn)直后，聚焦耦合進(jìn)200μm，0.2NA的光線內(nèi)部，獲得85%的光束填充因子。同時，為了充分體現(xiàn)單管器件相對于巴條激光器在亮度方面的優(yōu)越性，所有LD的指向性誤差和準(zhǔn)直誤差均不能超過光斑尺寸的10%［16］。如圖2所示，圖2（a）是遠(yuǎn)場分布，圖2（b）是近場分布。

圖2 聚焦光斑打的遠(yuǎn)場和近場分布

一般來說，無論是對于基于多單管光纖耦合模塊還是對于基于巴條光纖耦合模塊，快軸準(zhǔn)直透鏡（FAC）作為半導(dǎo)體激光系統(tǒng)的第一組準(zhǔn)直微透鏡，相對于其它準(zhǔn)直微透鏡，由于其具有較短的有效焦距和較小的數(shù)值孔徑，需要更高的組裝精度。因此，一組準(zhǔn)直光路中快軸準(zhǔn)直透鏡的校準(zhǔn)對耦合光束的光束質(zhì)量具有很大的影響。根據(jù)快軸準(zhǔn)直透鏡的不同機(jī)械結(jié)構(gòu)其定位精度在應(yīng)亞微米級（100nm～1.0μm）范圍內(nèi)。

表1 國際上9xxnm波段高亮度光纖耦合半導(dǎo)體激光器泵浦源的發(fā)展情況

針對于以上情況，國外一些研究機(jī)構(gòu)依據(jù)物理光學(xué)原理和準(zhǔn)直算法，開發(fā)了用于眾多光學(xué)元件組裝的自動或半自動儀器。國內(nèi)未見相關(guān)的報道和產(chǎn)品。2011年，瑞士電子學(xué)和微電子科技中心（CSEM）和奧蘭若（Oclaro）公司聯(lián)合報到一套針對于高功率半導(dǎo)體激光模塊的半自動組裝設(shè)備。如圖3所示為設(shè)備的部分圖示。在各光學(xué)元件定位過程中，操作人員在集成為一體的視覺系統(tǒng)和溫度、功率等傳感器的協(xié)助下觀察光束截面的成像效果，通過模擬控制可獲得200nm/2μrad的高精度定位。需要在多維空間同時操作時，該設(shè)備通過一組群算法（swarm algorithm）可全自動運(yùn)作以在多維解空間中找到最佳的優(yōu)化值［17］。

圖3 部分組裝設(shè)備示意圖

2014年，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（fraunhofer institute for laser technology）基于標(biāo)量衍射原理和傅里葉光學(xué)理論，通過分析快軸準(zhǔn)直透鏡各方向位移量和變化后巴條的近遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布的關(guān)系，提出了一種適合于快軸準(zhǔn)直透鏡的對準(zhǔn)算法，并對其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖4為其演示系統(tǒng)。D1、D2分別為近遠(yuǎn)場成像光路，T1、T2、T3、G1、G2、R1為6軸調(diào)節(jié)系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該演示系統(tǒng)可獲得0.8μm/0.01°的準(zhǔn)直精度，平均每個微透鏡準(zhǔn)直所用時間為20～25s［18］。

圖4 快軸透鏡自動校準(zhǔn)演示系統(tǒng)

2 多級密集頻譜技術(shù)

通常，實(shí)現(xiàn)高功率半導(dǎo)體激光的輸出是通過巴條激光器在空間的幾何疊加，但由于該單元器件快慢軸方向填充因子的限制，導(dǎo)致了較差的光束質(zhì)量和光束亮度。相對巴條激光器，由于單管器件具有較高的功率密度和光束亮度，結(jié)合多級密集頻譜合束技術(shù)，可獲得超高亮的光束輸出。2014年，德國DirectPhotonics公司基于條寬95μm，慢軸光束質(zhì)量4.5mm·mrad的單管半導(dǎo)體激光器，采用二級密集頻譜合束技術(shù)，獲得了光束質(zhì)量7.5mm·mrad的2kW高亮度光束輸出［19］，如圖5所示。

圖5 多級密集頻譜合束示意圖

并在作為整體系統(tǒng)的子模塊中，采用空間合束技術(shù)，在快軸方向?qū)?zhǔn)直光束疊加，將慢軸準(zhǔn)直透鏡和反射棱鏡做了集成化處理，減少了系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸。由于密集頻譜合束技術(shù)對于譜寬的要求，利用體布拉格光柵（VBG）對合束后激光器整體進(jìn)行穩(wěn)頻限制，并且在子模塊中12只半導(dǎo)體激光器獲得了譜寬0.3nm（FWHM），BPP=4.2mm·mrad的輸出光束。在一級密集頻譜合束中，相鄰的子模塊頻率相隔4nm，并用光學(xué)薄膜濾波器對二者合束，效率為96%，通過4次合束后獲得輸出功率為500W，光束質(zhì)量為4.5mm·mrad，頻譜寬度為17nm。在二次密集光譜合束中，采用相同技術(shù)對上述4個500W模塊進(jìn)行光譜合束，在保持光束質(zhì)量不變的同時，輸出功提高到了2kW，譜寬為90nm。2014年，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所采用針對于高功率半導(dǎo)體激光的高密度波分多路復(fù)用合束器，可將相鄰頻譜間隔縮減到1.5nm［20］，為多級頻譜合束技術(shù)提供了更高發(fā)展空間。

德國Laserline公司利用標(biāo)準(zhǔn)二極管堆棧的9xxnm光束經(jīng)整形后聚焦到由XLMA活性光纖和兩個反射腔鏡組成的光纖激光器諧振腔內(nèi)部，而非通常情況下的傳輸光纖［21］。通過轉(zhuǎn)換技術(shù)，可將光束質(zhì)量100mm·mrad高功率激光束高效率（6kW輸出功率時轉(zhuǎn)換效率為65%）轉(zhuǎn)換為光束質(zhì)量＜5mm·mrad的高功率高亮度激光束，最后耦合到相應(yīng)傳輸光纖內(nèi)波長為1050～1100nm。在實(shí)驗(yàn)中通過芯徑100μm的傳輸光纖可得到功率4kW，光束質(zhì)量4mm·mrad的激光束。經(jīng)過該方案優(yōu)化過光束質(zhì)量的LDF系列半導(dǎo)體激光器可獲得輸出功率4kW、8mm·mrad光束質(zhì)量的高亮度光束輸出，整體光電轉(zhuǎn)換效率為＞25%。整體結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 Laserline LDF系列半導(dǎo)體激光系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論

半導(dǎo)體激光技術(shù)的日漸成熟，拓展了高功率亮度半導(dǎo)體激光系統(tǒng)的應(yīng)用維度。針對于商業(yè)生產(chǎn)和科研的自動或半自動組裝技術(shù)，進(jìn)一步提高了高亮度耦合系統(tǒng)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本，同時其自身所具有的高精度調(diào)試使得激光單元器件的優(yōu)勢充分利用。許多新型光束自動組裝技術(shù)和方案的實(shí)施，使得千瓦級的輸出成為現(xiàn)實(shí)，并兼具10mm·mrad的光束質(zhì)量。以上內(nèi)容的總結(jié)，為今后的深入研究提供了技術(shù)支持。

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