基于楔形整形鏡對半導(dǎo)體激光的光纖耦合

郭照師， 秦文斌*， 李 景， 劉友強， 曹銀花， 孟 嬌， 關(guān)嬌陽， 潘建宇， 蘭 天， 李慶軒， 王智勇

(1． 北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部 先進半導(dǎo)體光電技術(shù)研究所， 北京 100124； 2． 中國電子科技集團公司第五十三研究所， 天津 300308)

1 引 言

半導(dǎo)體激光器具有高亮度、高功率、結(jié)構(gòu)緊湊和高電光轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)點，因此被廣泛地應(yīng)用于材料加工、生物醫(yī)療和固體激光器泵浦源等領(lǐng)域[1-3]。然而，對于典型的半導(dǎo)體激光器來說，由于其本身的特殊結(jié)構(gòu)，快慢軸兩個方向的發(fā)散角和光束質(zhì)量是不對稱的?？燧S方向的發(fā)散角在60°～80°，其光束質(zhì)量接近于衍射極限；慢軸方向的發(fā)散角在6°～15°，其光束質(zhì)量遠遠大于衍射極限[4-7]。為了在各種不同應(yīng)用領(lǐng)域中獲得高功率、高光束質(zhì)量的激光，需要對光束進行整形，光束整形不僅能夠改善激光的光束質(zhì)量，也能夠獲得更高的光纖耦合效率[8-14]。

2011年，Seyed等[15]利用“反光條紋鏡”和一對變形棱鏡填充激光束的無光區(qū)并壓縮快軸方向的光斑高度，使用“V型堆棧鏡片”勻化光束質(zhì)量，模擬實現(xiàn)1 kW的激光耦合進芯徑550 μm、NA=0.22的光纖中，輸出激光束的強度為3.5×105W/cm2。2015年，余俊宏等[16]使用兩個45°平行四邊形棱鏡，激光束經(jīng)過兩次全內(nèi)反射被切割為兩部分，再通過棱鏡重新排列，實現(xiàn)了快慢軸光束的勻化，最終將16個激光bar耦合進光纖中，實現(xiàn)光纖耦合效率70%，輸出功率440 W，激光亮度達到36.2 MW(sr·cm2)。

本文研究了楔形整形透鏡在光纖耦合系統(tǒng)中對光束整形效果和耦合效率的影響。實驗測量激光器14～19號發(fā)光單元的指向偏差角度(偏向角)在2 mrad左右，通過對楔形整形透鏡的改進，將修正角2.1 mrad引入到楔形整形鏡片中。ZEMAX模擬與實驗驗證均獲得了較好的整形效果，激光束在快、慢軸方向的光束參數(shù)積(BPPs)分別為7.25 mm·mrad和5.05 mm·mrad。將單bar整形并聚焦后的激光束耦合進芯徑200 μm、NA=0.2的光纖中，在注入電流60 A 時輸出功率為53 W，耦合效率為87%，比楔形整形透鏡改進前提高了7%。

2 光學(xué)設(shè)計

2.1 楔形整形鏡設(shè)計

在實驗中發(fā)現(xiàn)，bar條封裝過程中引起的smile效應(yīng)[17-18]會導(dǎo)致發(fā)光單元指向發(fā)生變化從而產(chǎn)生偏向角，而快軸準直鏡(FAC)的安裝精度以及光束轉(zhuǎn)化器(BTS)對光束的旋轉(zhuǎn)都會進一步放大偏向角度，最終影響光束整形效果和光纖耦合效率[19]。本文選用的半導(dǎo)體光源為808 nm的cm-bar，發(fā)光單元個數(shù)19個，發(fā)光單元間距500 μm。實驗中使用狹縫和CCD對bar條的19個發(fā)光單元偏向角進行了測量。19個發(fā)光單元的激光束依次通過狹縫，并在1 m處的位置利用CCD采集每束激光光斑在CCD中的相對位置，以1號發(fā)光單元的位置為基準，計算出2～19號發(fā)光單元的偏向角。圖1是實驗測出的bar條每個發(fā)光單元的偏向角分布，2～13號發(fā)光單元的偏向角都在0.3～0.6 mrad范圍內(nèi)，但是14～19號發(fā)光單元的偏向角在2 mrad左右，偏離較為嚴重，需要對其修正。針對上述問題，本文提出了在整形系統(tǒng)的楔形鏡片中引入修正角以改善發(fā)光單元的指向偏差。

圖1 bar條各發(fā)光單元偏向角分布

如圖2(a),對于常規(guī)楔形鏡來說，鏡片輸入面與輸出面相平行以保證激光束經(jīng)過楔形鏡后只改變水平方向的位移而不影響水平角度的偏差，當入射光不是平行入射時，出射光也會以相同的角度出射。對于圖2(b)中的楔形鏡，引入修正角后，光束通過修正角度后的鏡片，出射光的出射角度發(fā)生變化，這樣就可以將14～19號發(fā)光單元的偏向角修正為平行光出射。

根據(jù)折射定律有：

sinI1=nsinI2，

(1)

nsinI3=sinI4，

(2)

I1、I2分別是圖2(a)楔形鏡輸入面的入射角與折

圖2 (a)常規(guī)楔形整形鏡；(b)修正角度后的楔形整形鏡。

射角，I3、I4是輸出面的入射角與折射角，α是半導(dǎo)體激光器發(fā)光單元的偏向角，n是鏡片的折射率，β是楔形鏡的角度。根據(jù)幾何關(guān)系有：

I1=I4=β-90°+α，

(3)

I2=I3，

(4)

對于修正后的楔形棱鏡的出射面，根據(jù)折射定律：

nsinI′3=sinI′4，

(5)

根據(jù)幾何關(guān)系有：

I′3=I3-i，

(6)

I′4=β′-90°=β-i-90°，

(7)

nsin(I3-i)=sin(β-i-90°)，

(8)

(9)

其中I′3、I′4分別是圖2(b)楔形整形鏡輸出面的入射角與折射角，β′是鏡片的角度，i是鏡片的修正角。β=123°31′，14～19號發(fā)光點的偏向角α≈2 mrad，鏡片的折射率n≈1.57。聯(lián)立公式(8)和(9)可以求出楔形整形鏡的修正角度i=7.2′=2.1 mrad。

2.2 光纖耦合系統(tǒng)設(shè)計

圖3為光纖耦合系統(tǒng)模型，系統(tǒng)中包括一個半導(dǎo)體激光器bar、準直系統(tǒng)、整形系統(tǒng)(整形1和整形2)、聚焦系統(tǒng)和一個芯徑200 μm、NA=0.2的光纖。在光纖耦合系統(tǒng)模型中，準直系統(tǒng)采用快慢軸準直鏡(FAC和SAC)壓縮快慢軸方向的發(fā)散角，同時利用光束轉(zhuǎn)換器(BTS)進一步勻化半導(dǎo)體光源快慢軸光束質(zhì)量。其作用是將通過FAC后的激光束旋轉(zhuǎn)90°，即半導(dǎo)體激光器的快慢軸方向相互轉(zhuǎn)換。半導(dǎo)體激光快慢軸方向光束質(zhì)量相差較大，在光纖耦合系統(tǒng)中常采用切割、重排[20]的整形方式，使快慢軸兩個方向BPP值相近?？?、慢軸方向的光束參數(shù)積分別用Kfast和Kslow來表示：

Kfast=ωfast×θfast，

(10)

Kslow=ωslow×θslow，

(11)

再根據(jù)光束快慢軸光束質(zhì)量均勻化條件有：

(12)

其中，ωfast、ωslow分別是光束快慢軸的光斑寬度，θfast、θslow分別是光束快慢軸發(fā)散角，M為分段的數(shù)量。

圖3 光纖耦合系統(tǒng)模型

本設(shè)計首先利用第一整形系統(tǒng)(整形1)將bar激光束切割為3段，再通過第二整形系統(tǒng)(整形2)對3段激光束重排。整形1和整形2鏡片結(jié)構(gòu)相同，兩者互為垂直放置。整形1、2均由兩片楔形鏡片和一片矩形玻璃平板組成，利用楔形鏡片對光束產(chǎn)生的位移和鏡片擺放位置的不同，實現(xiàn)切割和重排的目的。聚焦系統(tǒng)由焦距為25 mm的三片式鏡片組合,通過聚焦鏡對整形后的光束聚焦獲得焦點光斑。在光纖耦合系統(tǒng)中根據(jù)每個發(fā)光單元的偏向角數(shù)據(jù)建立實際的光源模型，同時在整形2中分別使用常規(guī)楔形整形鏡片與修正后的楔形整形鏡片，模擬出實際的光斑圖像。

如圖4(a)所示，發(fā)光單元偏向角過大會惡化激光束的整形效果，且隨著傳輸距離的增大越來越明顯，同時會嚴重影響焦點光斑的大小。圖4(b)是光斑在整形后經(jīng)25 mm聚焦鏡后的聚焦光斑，光斑尺寸為182 μm×106 μm(包含90%能量)，獲得模擬耦合效率為91.47%。如圖4(c),利用修正的楔形整形鏡對發(fā)光單元的偏向角修正后獲得了較為理想的整形效果。圖4(d)是在偏向角修正后通過25 mm聚焦鏡后的焦點光斑，大小為153 μm×106 μm(包含90%能量)，很明顯比修正角度前的聚焦光斑小，耦合效率為98.6%，比修正前高了7.13%。

圖4 楔形整形鏡修正角度前的整形光斑(a)和焦點光斑(b)；楔形整形鏡修正角度后的整形光斑(c)和焦點光斑(d)。

3 結(jié)果與討論

圖5為光纖耦合實驗裝置，激光光源選用的商用cm-bar，采用CS封裝，輸出功率60 W，具體參數(shù)如表1所示。實驗中，在光束整形系統(tǒng)的整形2中分別使用常規(guī)楔形整形鏡和引入修正角后的楔形整形鏡對光束進行整形，對比整形前后的光斑圖像及焦點光斑圖像，并通過光纖耦合實驗對比引入修正角后對光纖耦合效率的改善效果。如圖6(a)紅框標注區(qū)域，在光纖耦合實驗中采用常規(guī)楔形整形鏡片，光束整形效果較差，并且光斑偏移量會隨著傳輸距離的增加而變大，整形后快軸光束質(zhì)量8.75 mm·mrad，慢軸光束質(zhì)量5.25 mm·mrad。如圖6(b)所示，聚焦后的焦點光斑大小為153 μm×138 μm(包含90%能量)，在注入電流60 A時，單bar的耦合效率為80%，穩(wěn)定輸出功率48 W，對應(yīng)電-光轉(zhuǎn)化效率42.6%。

圖5 光纖耦合實驗裝置圖

表1 激光器參數(shù)

如圖7(a)所示，光束整形系統(tǒng)中采用修正后的楔形鏡片整形后的3段光斑沒有發(fā)生偏離現(xiàn)象，獲得快軸光束質(zhì)量7.25 mm·mrad，慢軸光束質(zhì)量5.05 mm·mrad。如圖7(b)，獲得的焦點光斑大小為148 μm×135 μm(包含90%能量)，在注入電流60 A時，獲得穩(wěn)定輸出功率53 W，耦合效率87%，對應(yīng)電-光轉(zhuǎn)化效率47%。

通過對楔形鏡片的修正，整形后的光斑快慢軸光束質(zhì)量均有改善，實際光纖耦合效率也有較大提升。雖然相對于模擬值98.6%仍然偏低，這主要是由于模擬時的參數(shù)均以90%能量的標準取值，導(dǎo)致了部分能量的邊緣光斑因超出設(shè)計范圍無法進入光學(xué)系統(tǒng)或者不滿足傳輸角度而無法耦合進光纖中。

圖6 楔形鏡片修正前的光束整形光斑(a)和焦點光斑(b)

圖7 楔形鏡片修正后的光束整形光斑(a)和焦點光斑(b)

4 結(jié) 論

本文針對半導(dǎo)體激光bar發(fā)光單元指向偏離問題，對常規(guī)楔形整形鏡片進行修正，獲得了較好的整形效果和較高的耦合效率。通過實驗測量出每個發(fā)光單元的偏向角度，針對偏離角度在2 mrad左右的發(fā)光點進行修正，并通過公式計算出鏡片修正角度為2.1 mrad。在光纖耦合實驗中，利用修正后的楔形整形鏡片對激光束整形，并將單個bar激光束耦合進芯徑200 μm、NA=0.2的光纖中，獲得穩(wěn)定輸出功率53 W，對應(yīng)電-光轉(zhuǎn)化效率47%，耦合效率為87%，比使用常規(guī)的楔形整形鏡片提高了7%。本研究很好地實現(xiàn)了光纖耦合系統(tǒng)的高效率輸出，為半導(dǎo)體激光器的光束整形設(shè)計及獲得更高的光-光轉(zhuǎn)換效率提供了一定的參考。