光纖耦合高功率、高亮度半導體雷射泵浦源的最新進展

2021-01-10 OFweek維科網

作者：nLIGHT公司

        目前市場上的高功率光纖耦合半導體雷射系統，基本上都是使用bar條通過光束整形來製造的。雖然基於bar條的雷射系統也能夠把很高的能量耦合到一根光纖中，但由於bar條固有的器件熱互擾問題和較低的光纖耦合效率，將使整個系統的工作效率較低。而且，這些雷射系統往往體積較大、較為笨重，且結構複雜。nLIGHT公司開發的高功率光纖耦合半導體雷射器，基於emitter結構，而不是使用bar條，能在很寬的波長範圍內實現緊湊的結構、較高的亮度及較高的轉換效率[1]。
emitter結構的優勢


        nLIGHT已經通過實踐證明，採用emitter結構的半導體雷射器比起採用bar條的雷射器有獨特、突出的優勢。Emitter結構能增強雷射器件的性能、提高加工過程中的成品率、增加器件的可靠性，並且還能簡化系統內部的光學設計。


        相比bar條的熱互擾(cross-heating)缺陷，單emitter可使熱量向熱沉橫向擴散，從而降低晶片的結溫度，增加單 emitter的輸出功率。例如，bar條的線性功率密度往往要小於20mW/祄，而單emitter則可以在超過50mW/祄條件下正常運行。


        相比bar條結構，emitter結構還具有成品率更高的優勢。因為對於emitter而言，可以單獨對其分別進行老化測試和挑選。相比之下，bar條雷射器很容易受到產品缺陷和工藝微小變化的影響，從而使得產品的成品率下降，增加了雷射器成本。

 

圖1. 左圖為可容納多達10個單emitter二極體的Pearl模塊，外形子尺寸為96.5mm 50mm 19.5 mm；右圖為高功率Pearl模塊，外形尺寸為124mm 50mm 23 mm。

 

        另外在封裝上，單emitter底面比bar條面積小很多，這使得emitter與下面熱沉材料的熱膨脹差別大大減少，從而減少封裝過程中產生的應力。相比較採用bar條的雷射模塊通常的平均無故障時間（MTTF）——1～2萬小時來說，基於emitter結構的雷射模塊的MTTF已經能夠超過 10萬小時。最後，光學設計將發光區直接成像耦合進入光纖，簡單直接，因此耦合效率極高。


        採用emitter結構的半導體雷射器的高性能、高成品率、高可靠性和設計優勢，直接提高了整個雷射系統的性能。多個emitter的高線性功率密度可以轉化為高亮度和高效率的半導體雷射器件，還可進一步組建成高亮度的雷射系統。每個emitter都可以單獨進行光學準直，然後耦合到光纖中，這樣能夠實現大於95％的光纖耦合效率。通過精心設計器件的幾何尺寸和相應的光路系統，可減小多個emitter間的無光區域間隔，從而保持雷射器的高功率和高亮度特性，轉換效率能達到50％～60％。


        採用emitter結構的雷射器體積小、結構緊湊，並擁有良好的熱傳導能力。與此相反的是，基於bar條的雷射系統的光束整形需要使用複雜的光學元器件來變換bar條輸出的不對稱光，經過準直然後再聚焦進入光纖。通常，這種光束整形方法所實現的光纖耦合效率為70％～80％。此外，由於存在熱互擾的問題，bar條的設計效率通常也只能達到40％～50％，由此產生的整體系統效率通常只有30％～35％，產生的大量的熱量需要進行主動冷卻。

        Pearl系列產品


        nLIGHT的高亮度PearlTM系列產品基於emitter結構，該系列產品結構緊湊、尺寸小巧，卻仍然具有較高的輸出功率。Pearl系有兩種非常小巧的商用模塊設計：96.5mm 50mm 19.5 mm和124mm 50mm 23mm，如圖1所示。儘管外形非常小巧，但這些器件擁有非常高的單位體積功率。例如，由10個emitter組成的小尺寸Pearl模塊，可產生超過 80W的光功率，並能夠耦合進一根芯徑為200祄的多模光纖中；而由有16個emitter組成的稍大尺寸的Pearl模塊，能產生超過120W的光功率，也能夠耦合進一根芯徑為200祄，NA為0.22的多模光纖中去。這些功率對應的功率/體積比值都大於0.9W/cm3。兩種尺寸模塊的L-I-V曲線如圖2所示。相比之下，多bar條結構的光纖耦合模塊的單位體積功率介於0.05～0.26W/cm3之間。雖然典型的單bar條結構的光纖耦合模塊能提高至0.25～0.75W/cm3之間，但這通常也僅限於光功率小於40W的雷射器系統。

 

圖2.（左）Pearl模塊產生大於80W的光功率耦合到芯徑為200祄的光纖中，此模塊的單位體積功率大約為 0.95W/cm3。（右）Pearl模塊產生大於120W的光功率耦合到芯徑為200祄的光纖中，此模塊的單位體積功率大約為0.93W/cm3。這兩個模塊的輸出波長均為976nm，光譜半高寬小於3.5nm。


圖3. （左）Pearl模塊把超過40W的光功率耦合到芯徑為100祄、NA為0.22的光纖中，在40W功率時效率接近50％，模塊的亮度大約是 5.5mW/cm2*球面度，外形尺寸為96.5mm 50mm 19.5mm，輸出波長為976nm。（右）高效Pearl模塊功率超過100W時系統的效率大於55％，耦合到芯徑為400祄的光纖中，輸出波長為 940nm。

 

        除了能以小尺寸結構提供高功率的應用外，nLIGHT的Pearl產品線還可提供高亮度的雷射應用[2]。為了滿足高亮度雷射市場的需求，nLIGHT使用6個emitter輸出約40W的光功率，並將它耦合進入一根芯徑僅為100祄、NA為0.22的光纖中去，對應的亮度已經超過 5.5mW/cm2 *球面度。這是一個極具競爭力的亮度值。在完成輸出高亮度雷射的同時，nLIGHT並沒有犧牲應有的轉換效率。該高亮度雷射系統在工作條件下的電光轉換效率超過45％，如圖3所示。


        在用戶需要更高轉換效率的雷射應用場合，nLIGHT把16個emitter產生的超過100W的光功率耦合到芯徑為400祄、NA為0.22 的多模光纖中去。在光纖輸出端的測量結果表明，產品峰值電光效率能大於60％，典型轉換效率大於59％。相信這是迄今為止已有的轉換效率最高的一個高功率、高亮度光纖耦合系統，見圖3。


        總之，nLIGHT公司基於emitter結構的雷射器產品，外形小巧緊湊，具有十分突出的輸出功率和亮度。該產品能夠提供前所未有的高轉換效率（在眾多波長下的轉換效率值都超過50％）。此外，此產品具有極高的輸出亮度，亮度值超過5.5 mW/cm2 *球面度。

參考文獻：
1. S. Patterson, et al., DEPS 20th SSDLTR, (2007).
2. P. Leisher, et al., Proc. SPIE, vol. 6952, (2008).

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