半導體激光器溫度控制模塊的設計

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

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

根據大功率半導體激光二極管列陣與光纖列陣耦合方式,分別從理論和實驗兩方面討論、分析了大功率半導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準半導體激光二極管列陣的19個發(fā)光單元,精密調節(jié)兩者之間的距離,使耦合輸出功率達到最大。半導體激光二極管列陣與微球透鏡光纖列陣直接耦合后,不僅從各個方向同時壓縮了激光束的發(fā)散角,有效地實現(xiàn)了對激光束的整形、壓縮,而且實現(xiàn)30w的高輸出功率,最大耦合效率大于80%,光纖的數值孔徑為0.16。

光纖耦合輸出的高功率激光二極管模塊具有體積小、光束質量好、亮度高等特點,在泵浦光纖激光器、材料處理、醫(yī)療儀器等領域都獲得了廣泛的應用。為了進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、光學元件加工簡單等特點。利用兩組反射鏡,將多只高功率激光二極管輸出光束經準直、復合、聚焦,耦合進光纖輸出,根據激光二極管和光纖的相關參數設計了聚焦透鏡。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熱和相互之間的絕緣問題。采用這種方法將4只輸出波長為980nm的高功率激光二極管輸出光束耦合進數值孔徑0.22、芯徑100μm的多模光纖中,當工作電流為4.0a時,光纖連續(xù)輸出功率為11.6w,耦合效率大于79%。

根據808nm大功率半導體激光列陣(lda)的遠場光場的分布特點,利用多模光纖柱透鏡和光束轉換裝置對808nm半導體激光列陣的發(fā)散角進行壓縮整形,通過聚焦準直透鏡將激光束耦合進入芯徑為400μm的光纖,實現(xiàn)了30w的功率輸出,其中最大耦合效率大于80%,光纖的數值孔徑(na)為0.22。通過分析其輸出光斑和輸出曲線,表明lda與光纖耦合系統(tǒng)不僅從各個方向同時壓縮了激光束的發(fā)散角,有效地實現(xiàn)了對激光束的整形、壓縮,而且性能穩(wěn)定,可靠實用。

為了使半導體激光泵浦nd∶yvo4固體激光器能獲得大功率、高光束質量、線偏振的激光輸出,利用pics3d軟件設計了ingaas/gaas應變量子阱結構,制作了發(fā)射波長為880nm的大功率半導體激光器列陣。該激光器列陣激射區(qū)單元寬為100μm,周期為200μm,填充因子為50%,激光器列陣cs封裝模塊室溫連續(xù)輸出功率達60.8w,光譜半高全寬(fwhm)為2.4nm。為進一步改善大功率半導體激光器列陣的光束質量,增加半導體激光端面泵浦功率密度,采用階梯反射鏡組對880nm大功率半導體激光器列陣進行了光束整形,利用階梯鏡金屬表面反射率受近紅外波長變化影響小的特點,研制出高穩(wěn)定性、大功率光纖耦合模塊。模塊輸出功率為44.9w,光-光耦合效率達73.8%,尾纖芯徑φ為400μm,數值孔徑(na)為0.22。

隨著半導體激光光源在激光加工領域的應用不斷擴展,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,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體激光器光纖耦合模塊變得十分重要。本文將8只波長為808nm、輸出功率為5w的單管半導體激光器通過合束技術耦合進光纖,制備了一種高效率的半導體激光器光纖耦合模塊。光纖芯徑為200μm、數值孔徑(na)為0.22,光纖輸出功率為33.2w,耦合效率超過83%,這種高效率半導體激光器光纖耦合模塊,可用于激光打標、塑料加工等領域。

利用光纖柱透鏡和光束轉換裝置壓縮半導體激光器列陣(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,實現(xiàn)33w的高出纖功率,最高耦合效率大于80%,光纖的數值孔徑(na)為0.22。

半導體激光器輸出特性的影響因素 半導體激光器是一類非常重要的激光器，在光通信、光存儲等很多領域都有廣泛的應 用。下面我將探討半導體激光器的波長、光譜、光功率、激光束的空間分布等四個方面的 輸出特性，并分析影響這些輸出特性的主要因素。 1．波長 半導體激光器的發(fā)射波長是由導帶的電子躍遷到價帶時所釋放出的能量決定的，這個能 量近似等于禁帶寬度eg(ev)。 hf=eg f(hz)和λ(μm)分別為發(fā)射光的頻率和波長 且c=3×108m/s，h=6.628×10-34j·s，lev=1.60×10-19j 得 決定半導體激光器輸出光波長的主要因素是半導體材料和溫度。 不同半導體材料有不同的禁帶寬度eg，因而有不同的發(fā)射波長λ：gaalas-gaas材料 適用于0.85μm波段，ingaasp-inp材料適用于1.3~1.55μm波段。

實驗一半導體激光器p-i特性測試實驗 一、實驗目的 1.學習半導體激光器發(fā)光原理和光纖通信中激光光源工作原理 2.了解半導體激光器平均輸出光功率與注入驅動電流的關系 3.掌握半導體激光器p（平均發(fā)送光功率）-i（注入電流）曲線的測試方法 二、實驗儀器 1.zy12ofcom13bg型光纖通信原理實驗箱1臺 2.光功率計1臺 3.fc/pc-fc/pc單模光跳線1根 4.萬用表1臺 5.連接導線20根 三、實驗原理 半導體激光二極管（ld）或簡稱半導體激光器，它通過受激輻射發(fā)光，（處于高 能級e2的電子在光場的感應下發(fā)射一個和感應光子一模一樣的光子，而躍遷到低能級 e1，這個過程稱為光的受激輻射，所謂一模一樣，是指發(fā)射光子和感應光子不僅頻率 相同，而且相位、偏振方向和傳播方向都相同，它和感應光子是相干的。）是一種閾 值器件。由于受激輻射與

本文介紹一種半導體激光器溫度控制電路及其輔助調試電路(含軟件),電路采用peltier模塊集成溫度控制器max1978,溫控精度約為0．02℃,該電路用于痕量氣體光譜法檢測系統(tǒng)。

基于光學設計軟件zemax純非序列,設計了一種半導體激光器與單模光纖的高耦合效率系統(tǒng).設計過程中考慮了激光器發(fā)光面的大小,而不是將其看做點光源;在現(xiàn)有的非球面鏡透鏡單模光纖耦合系統(tǒng)基礎上進行了改進,通過百萬次光線追跡,測得所設計系統(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)對接出現(xiàn)誤差情況下對耦合效率的影響,分別給出了各種對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支持.

設計了超速離心機的溫度控制模塊,采用了模糊pid算法,通過pid參數的自動整定,對半導體制冷片的電壓進行調整,從而控制半導體制冷片的制冷或制熱效率,能對超速離心機離心室內的溫度進行精確并且快速的控制。在matlab的simulink環(huán)境下進行仿真后分析可知,模糊pid算法兼具常規(guī)pid算法和模糊控制的優(yōu)點,能夠有效提高溫度控制模塊的性能。

半導體激光器的精密溫控系統(tǒng)設計——文章介紹了一種大功率半導體激光器的精密fuzzy+pi溫控系統(tǒng)的設計，利用半導體制冷器對大功率半導體激光器進行精密溫控，控制精度高、振蕩?。辉诔Ｒ?guī)模糊pid控制器的基礎上，通過增加模糊控制規(guī)則，從而構成變積分系數的模糊...

建立了半導體激光器與單模光纖通過球透鏡耦合的光傳輸模型,對雙異質結激光器光束特性進行了分析。基于huygens-fresnel原理計算了激光光束遠場發(fā)散角以及光束束腰半徑。運用高斯光束與單模光纖耦合理論以及abcd矩陣理論進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,以及各個影響耦合效率的參數容忍度,對半導體激光器與單模光纖的球透鏡耦合封裝具有重要意義。

為了實現(xiàn)半導體激光器與單模光纖快速精確耦合對準,需分析對準平臺的擾動特性.首先,基于半導體激光器與單模光纖的對準誤差,構建了五維對準平臺.然后,針對半導體激光器與單模光纖對準過程中運動誤差的隨機性問題,運用多體系統(tǒng)理論,建立了對準平臺的拓撲結構模型,并分析了其運動過程中的位姿,得到了半導體激光器末端點運動誤差模型.最后,利用montecarlo方法,結合該運動誤差模型,對運動誤差進行了概率分析.結果表明:在不考慮靜止誤差的情況下,半導體激光器末端點的位置在x、y和z三個方向的運動誤差近似為中間高兩邊低的對稱分布.此分析可為對準過程中運動誤差補償提供數據參考.

文中提出了一種實現(xiàn)半導體激光器和多模光纖耦合的實用化方法。用一段直徑為600μm的裸石英光纖代替柱透鏡對半導體激光器輸出光束進行準直整形;用半球端光纖對光束進行聚焦后直接實現(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)時存在的調試與封裝困難的問題,且工藝穩(wěn)定,因而有著廣泛的應用前景。

采用一種階梯排列結構的單管激光器合束技術制成了高亮度半導體激光器光纖耦合模塊,可用于泵浦摻y(tǒng)b3+大模場雙包層光纖激光器。利用微透鏡組對各單管半導體激光器進行快慢軸準直,在快軸方向實現(xiàn)光束疊加,然后通過兩組消球差設計的柱面透鏡組分別對合成光束快慢軸方向進行聚焦,耦合進入光纖。實驗中將6只輸出功率為6w的976nm單管半導體激光器輸出光束耦合進芯徑為105μm、數值孔徑為0.15的光纖中,當工作電流為6.2a時,光纖輸出功率達29.0w,光纖耦合效率達到80.1%,亮度超過4.74mw/cm2-str。

采用射線法,計算增益隨波長的變化,推導出光纖光柵外腔半導體激光器(fgesl)輸出譜的表達式.結合載流子速率方程,對外腔半導體激光器輸出譜的精細結構進行了數值模擬研究.結果表明:光纖光柵外腔的輸出譜在反射帶寬內呈現(xiàn)出多峰結構,隨著前端面反射率減小和耦合效率增加,輸出譜相應地變得比較穩(wěn)定.

通過軟件模擬和理論分析,對980nm半導體激光器高反膜的結構進行了優(yōu)化設計。選定ta2o5/sio2作為980nm半導體激光器的高反膜材料,通過軟件tfcalc進行仿真,對3種不同膜系結構的反射率和電場強度進行了對比分析,對鍍膜后和未鍍膜的器件分別進行測試。仿真結果表明:膜系結構為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。

針對808nm大功率gaas/gaalas半導體量子阱激光器的遠場光場分布特點,提出了與多模光纖耦合時對耦合光學系統(tǒng)的特殊要求,并根據低成本、實用化的要求設計制作了專用的耦合光學系統(tǒng),對耦合光學系統(tǒng)的實際性能進行了測試,給出了耦合效率統(tǒng)計分布圖、耦合偏差曲線和高低溫可靠性實驗結果.用設計制作出的實用化耦合光學系統(tǒng)完成了輸出功率15—30w,光纖束數值孔徑為0.11—0.22的半導體激光光纖耦合模塊,模塊的使用結果表明耦合光學系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、實用

常用光纖器件特性測試實驗 實驗一半導體激光器p-i特性測試實驗 一、實驗目的 1、學習半導體激光器發(fā)光原理和光纖通信中激光光源工作原理 2、了解半導體激光器平均輸出光功率與注入驅動電流的關系 3、掌握半導體激光器p（平均發(fā)送光功率）-i（注入電流）曲線的測試方法 二、實驗內容 1、測量半導體激光器輸出功率和注入電流，并畫出p-i關系曲線。 2、根據p－i特性曲線，找出半導體激光器閾值電流，計算半導體激光器斜率效率。 三、預備知識 1、光源的種類 2、半導體激光器的特性、內部結構、發(fā)光原理 四、實驗儀器 1、zy12ofcom13bg3型光纖通信原理實驗箱1臺 2、fc接口光功率計1臺 3、fc/pc-fc/pc單模光跳線1根 4、萬用表1臺 5、連接導線20根 五、實驗原理 半導體激光二極管（ld）或簡稱半導體激光器，它通過