880nm半導(dǎo)體激光主動(dòng)照明光纖耦合模塊

2010年1月,西安炬光科技有限公司在國內(nèi)首次推出連續(xù)半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊fc(fibercoupled)系列產(chǎn)品。這是一款融合了炬光科技多項(xiàng)創(chuàng)

利用階梯反射鏡整形技術(shù)分別對(duì)兩個(gè)功率為40w的半導(dǎo)體激光器光束進(jìn)行鏡面分割,旋轉(zhuǎn)重排后使用偏振分光棱鏡(pbs)進(jìn)行合束,最后得到功率為55.8w、耦合效率約為70%的半導(dǎo)體激光列陣(lda)單光纖耦合模塊,光纖芯徑為φ400μm,數(shù)值孔徑(na)為0.22。經(jīng)過連續(xù)100h的正?？綑C(jī)后,功率穩(wěn)定。

光纖耦合輸出的高功率激光二極管模塊具有體積小、光束質(zhì)量好、亮度高等特點(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。為了進(jìn)一步提高光纖耦合激光二極管模塊的輸出功率,提出了基于多只激光二極管串聯(lián)的光纖耦合方法。這種方法具有耦合效率高、光學(xué)元件加工簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。利用兩組反射鏡,將多只高功率激光二極管輸出光束經(jīng)準(zhǔn)直、復(fù)合、聚焦,耦合進(jìn)光纖輸出,根據(jù)激光二極管和光纖的相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)了聚焦透鏡。利用特殊加工的aln材料作為過渡熱沉解決了激光二極管的導(dǎo)熱和相互之間的絕緣問題。采用這種方法將4只輸出波長(zhǎng)為980nm的高功率激光二極管輸出光束耦合進(jìn)數(shù)值孔徑0.22、芯徑100μm的多模光纖中,當(dāng)工作電流為4.0a時(shí),光纖連續(xù)輸出功率為11.6w,耦合效率大于79%。

隨著半導(dǎo)體激光光源在激光加工領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)展,以激光二極管陣列制成的光纖耦合模塊由于存在耦合效率低的缺點(diǎn),已不能滿足激光加工低成本的需求,因此研制高耦合效率的半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊變得十分重要。本文將8只波長(zhǎng)為808nm、輸出功率為5w的單管半導(dǎo)體激光器通過合束技術(shù)耦合進(jìn)光纖,制備了一種高效率的半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊。光纖芯徑為200μm、數(shù)值孔徑(na)為0.22,光纖輸出功率為33.2w,耦合效率超過83%,這種高效率半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊,可用于激光打標(biāo)、塑料加工等領(lǐng)域。

文章從高功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊的組成和各個(gè)部分的機(jī)理出發(fā),詳細(xì)分析了影響其可靠性的因素,主要有以下三個(gè)方面:激光器自身的因素、耦合封裝工藝和電學(xué)因素。通過優(yōu)化原有工藝與采用新技術(shù),提高了模塊的可靠性,拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。

利用光纖柱透鏡和光束轉(zhuǎn)換裝置壓縮半導(dǎo)體激光器列陣(lda)的發(fā)散角,然后通過聚焦透鏡將激光束耦合入芯徑為400μm的微球透鏡光纖。lda與光纖耦合輸出后,實(shí)現(xiàn)33w的高出纖功率,最高耦合效率大于80%,光纖的數(shù)值孔徑(na)為0.22。

采用一種階梯排列結(jié)構(gòu)的單管激光器合束技術(shù)制成了高亮度半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊,可用于泵浦摻y(tǒng)b3+大模場(chǎng)雙包層光纖激光器。利用微透鏡組對(duì)各單管半導(dǎo)體激光器進(jìn)行快慢軸準(zhǔn)直,在快軸方向?qū)崿F(xiàn)光束疊加,然后通過兩組消球差設(shè)計(jì)的柱面透鏡組分別對(duì)合成光束快慢軸方向進(jìn)行聚焦,耦合進(jìn)入光纖。實(shí)驗(yàn)中將6只輸出功率為6w的976nm單管半導(dǎo)體激光器輸出光束耦合進(jìn)芯徑為105μm、數(shù)值孔徑為0.15的光纖中,當(dāng)工作電流為6.2a時(shí),光纖輸出功率達(dá)29.0w,光纖耦合效率達(dá)到80.1%,亮度超過4.74mw/cm2-str。

根據(jù)大功率半導(dǎo)體激光二極管列陣與光纖列陣耦合方式,分別從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面討論、分析了大功率半導(dǎo)體激光二極管列陣與微球透鏡光纖列陣耦合。將19根芯徑均為200μm的光纖的端面分別熔融拉錐成具有相同直徑的微球透鏡,利用v形槽精密排列,排列周期等于激光二極管列陣各發(fā)光單元的周期。將微球透鏡光纖列陣直接對(duì)準(zhǔn)半導(dǎo)體激光二極管列陣的19個(gè)發(fā)光單元,精密調(diào)節(jié)兩者之間的距離,使耦合輸出功率達(dá)到最大。半導(dǎo)體激光二極管列陣與微球透鏡光纖列陣直接耦合后,不僅從各個(gè)方向同時(shí)壓縮了激光束的發(fā)散角,有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光束的整形、壓縮,而且實(shí)現(xiàn)30w的高輸出功率,最大耦合效率大于80%,光纖的數(shù)值孔徑為0.16。

隨著光纖激光器技術(shù)的飛速發(fā)展,作為光纖激光器泵浦源的高功率,高亮度的大功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊越來越受到人們的關(guān)注。提高光纖耦合效率和光纖耦合模塊的可靠性,有效控制大功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊的溫度成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。

應(yīng)用zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件模擬了一種多芯片半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊,將12支808nm單芯片半導(dǎo)體激光器輸出光束耦合進(jìn)數(shù)值孔徑0.22、纖芯直徑105μm的光纖中,每支半導(dǎo)體激光器功率10w,光纖輸出端面功率達(dá)到116.84w,光纖耦合效率達(dá)到97.36%,亮度達(dá)到8.88mw/(cm2·sr)。通過zemax和origin軟件分析了光纖對(duì)接出現(xiàn)誤差以及單芯片半導(dǎo)體激光器安裝出現(xiàn)誤差時(shí)對(duì)光纖耦合效率的影響,得出誤差對(duì)光纖耦合效率影響的嚴(yán)重程度從大到小分別為垂軸誤差、軸向誤差、角向誤差。

基于光學(xué)設(shè)計(jì)軟件zemax純非序列,設(shè)計(jì)了一種半導(dǎo)體激光器與單模光纖的高耦合效率系統(tǒng).設(shè)計(jì)過程中考慮了激光器發(fā)光面的大小,而不是將其看做點(diǎn)光源;在現(xiàn)有的非球面鏡透鏡單模光纖耦合系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),通過百萬次光線追跡,測(cè)得所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的耦合效率大于54%.用zemax和origin軟件分析了單模光纖與耦合系統(tǒng)對(duì)接出現(xiàn)誤差情況下對(duì)耦合效率的影響,分別給出了各種對(duì)接誤差情況下的耦合效率變化曲線,為耦合系統(tǒng)的工程安裝提供理論分析和技術(shù)支持.

針對(duì)808nm大功率gaas/gaalas半導(dǎo)體量子阱激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)光場(chǎng)分布特點(diǎn),提出了與多模光纖耦合時(shí)對(duì)耦合光學(xué)系統(tǒng)的特殊要求,并根據(jù)低成本、實(shí)用化的要求設(shè)計(jì)制作了專用的耦合光學(xué)系統(tǒng),對(duì)耦合光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際性能進(jìn)行了測(cè)試,給出了耦合效率統(tǒng)計(jì)分布圖、耦合偏差曲線和高低溫可靠性實(shí)驗(yàn)結(jié)果.用設(shè)計(jì)制作出的實(shí)用化耦合光學(xué)系統(tǒng)完成了輸出功率15—30w,光纖束數(shù)值孔徑為0.11—0.22的半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊,模塊的使用結(jié)果表明耦合光學(xué)系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、實(shí)用

針對(duì)808nm大功率gaas/gaalas半導(dǎo)體量子阱激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)光場(chǎng)分布特點(diǎn)，提出了與多模光纖耦合時(shí)對(duì)耦合光學(xué)系統(tǒng)的特殊要求，并根據(jù)低成本、實(shí)用化的要求設(shè)計(jì)制作了專用的耦合光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)耦合光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際性能進(jìn)行了測(cè)試，給出了耦合效率統(tǒng)計(jì)分布圖、耦合偏差曲線和高低溫可靠性實(shí)驗(yàn)結(jié)果。用設(shè)計(jì)制作出的實(shí)用化耦合光學(xué)系統(tǒng)完成了輸出功率15－30w，光纖束數(shù)值孔徑為0．11－0．22的半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊，模塊的使用結(jié)果表明耦合光學(xué)系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、實(shí)用。

文中提出了一種實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器和多模光纖耦合的實(shí)用化方法。用一段直徑為600μm的裸石英光纖代替柱透鏡對(duì)半導(dǎo)體激光器輸出光束進(jìn)行準(zhǔn)直整形;用半球端光纖對(duì)光束進(jìn)行聚焦后直接實(shí)現(xiàn)和光纖耦合,來代替聚焦透鏡和光纖耦合的環(huán)節(jié)。研究表明:采用該方法耦合效率在80.0%左右,同時(shí)最大程度解決了使用柱透鏡和聚焦透鏡的組合透鏡耦合系統(tǒng)時(shí)存在的調(diào)試與封裝困難的問題,且工藝穩(wěn)定,因而有著廣泛的應(yīng)用前景。

建立了半導(dǎo)體激光器與單模光纖通過球透鏡耦合的光傳輸模型,對(duì)雙異質(zhì)結(jié)激光器光束特性進(jìn)行了分析。基于huygens-fresnel原理計(jì)算了激光光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角以及光束束腰半徑。運(yùn)用高斯光束與單模光纖耦合理論以及abcd矩陣?yán)碚撨M(jìn)行了激光器與單模光纖的球透鏡耦合效率分析,給出了最優(yōu)化的耦合封裝工藝參數(shù),以及各個(gè)影響耦合效率的參數(shù)容忍度,對(duì)半導(dǎo)體激光器與單模光纖的球透鏡耦合封裝具有重要意義。

為了實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器與單模光纖快速精確耦合對(duì)準(zhǔn),需分析對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)的擾動(dòng)特性.首先,基于半導(dǎo)體激光器與單模光纖的對(duì)準(zhǔn)誤差,構(gòu)建了五維對(duì)準(zhǔn)平臺(tái).然后,針對(duì)半導(dǎo)體激光器與單模光纖對(duì)準(zhǔn)過程中運(yùn)動(dòng)誤差的隨機(jī)性問題,運(yùn)用多體系統(tǒng)理論,建立了對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型,并分析了其運(yùn)動(dòng)過程中的位姿,得到了半導(dǎo)體激光器末端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)誤差模型.最后,利用montecarlo方法,結(jié)合該運(yùn)動(dòng)誤差模型,對(duì)運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行了概率分析.結(jié)果表明:在不考慮靜止誤差的情況下,半導(dǎo)體激光器末端點(diǎn)的位置在x、y和z三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)誤差近似為中間高兩邊低的對(duì)稱分布.此分析可為對(duì)準(zhǔn)過程中運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償提供數(shù)據(jù)參考.

采用梯度折射率光纖透鏡耦合法實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體激光器到單模光纖的高效率耦合,并在這一系統(tǒng)基礎(chǔ)上完善了半導(dǎo)體激光器全光纖耦合的abcd矩陣?yán)碚?。?shí)驗(yàn)中,利用梯度折射率光纖的聚焦特性,選取合適的長(zhǎng)度,實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體激光器到單模光纖的高效率耦合,最大耦合效率達(dá)80.5%。此全光纖耦合方式具有體積小、制作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn),對(duì)低成本、實(shí)用化的尾纖輸出半導(dǎo)體激光器的實(shí)現(xiàn)具有重要的意義。

采用射線法,計(jì)算增益隨波長(zhǎng)的變化,推導(dǎo)出光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器(fgesl)輸出譜的表達(dá)式.結(jié)合載流子速率方程,對(duì)外腔半導(dǎo)體激光器輸出譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究.結(jié)果表明:光纖光柵外腔的輸出譜在反射帶寬內(nèi)呈現(xiàn)出多峰結(jié)構(gòu),隨著前端面反射率減小和耦合效率增加,輸出譜相應(yīng)地變得比較穩(wěn)定.

建立了半導(dǎo)體側(cè)面泵浦模塊中激光晶體的吸收光場(chǎng)分布模型,利用matlab軟件計(jì)算了吸收光場(chǎng)的歸一化分布形貌,提出了兩個(gè)重要參數(shù):陣列切向位移量與徑向角度偏離度。結(jié)果表明:當(dāng)陣列切向位移量為0~0.5mm時(shí),晶體相對(duì)吸收強(qiáng)度、光場(chǎng)均勻性等參數(shù)基本不變;當(dāng)該數(shù)值大于0.5mm時(shí),吸收強(qiáng)度急劇下降、光場(chǎng)不均勻性急劇增加;相比而言,徑向角度偏移對(duì)晶體吸收光場(chǎng)分布的影響較小,總體上呈現(xiàn)隨著該數(shù)值的增加,吸收強(qiáng)度減小、光場(chǎng)不均勻性增加。以上研究結(jié)論為目前半導(dǎo)體側(cè)泵模塊的研制生產(chǎn)提供了理論指導(dǎo)。

一、異軍突起的光纖照明成了市場(chǎng)一支后起之秀進(jìn)入21世紀(jì)以來,光纖照明在顏色種類、亮度和功率等方面都發(fā)生了極大的變化。光纖照明以其令人驚嘆而欣喜的應(yīng)用在城市室內(nèi)外照明中發(fā)揮著傳統(tǒng)光源無可比擬的作用。光纖照明壽命長(zhǎng)達(dá)10萬小時(shí),意味著平均每

1資料與方法1.1研究對(duì)象2010年1～7月來我科激光中心就診的50例單獨(dú)使用半導(dǎo)體激光脫腋毛的女性患者.年齡18～39歲,平均25.2歲,最少治療1次,最多治療8次,平均4.1次.排除標(biāo)準(zhǔn):治療前8周內(nèi)使用傳統(tǒng)拔毛術(shù)者;脫毛部位有活動(dòng)性感染病灶;有光敏史者,在6個(gè)月內(nèi)使用光敏劑者;疤痕體質(zhì)者;2周內(nèi)經(jīng)受日光曝曬者;妊娠或哺乳期者;治療區(qū)接受手術(shù)者;高血壓及嚴(yán)重心臟病患者.

通過軟件模擬和理論分析,對(duì)980nm半導(dǎo)體激光器高反膜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。選定ta2o5/sio2作為980nm半導(dǎo)體激光器的高反膜材料,通過軟件tfcalc進(jìn)行仿真,對(duì)3種不同膜系結(jié)構(gòu)的反射率和電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比分析,對(duì)鍍膜后和未鍍膜的器件分別進(jìn)行測(cè)試。仿真結(jié)果表明:膜系結(jié)構(gòu)為al2o3(ta2o5/sio2)7ta2o5的高反膜性能良好,鍍膜后的閾值電流減小了20ma左右,斜率效率從0.48增加到了0.86。