【半導光電】基於楔形整形鏡對半導體雷射的光纖耦合

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郭照師，秦文斌 ，李 景，劉友強，曹銀花， 孟 嬌，關嬌陽，潘建宇，蘭 天，李慶軒，王智勇

北京工業大學材料與製造學部 先進半導體光電技術研究所， 中國電子科技集團公司第五十三研究所

1 引 言

        半導體雷射器具有高亮度、高功率、結構緊湊和高電光轉換效率等優點，因此被廣泛地應用於材料加工、生物醫療和固體雷射器泵浦源等領 域［1-3］。然而，對於典型的半導體雷射器來說，由 於其本身的特殊結構，快慢軸兩個方向的發散角和光束質量是不對稱的。快軸方向的發散角在 60° ～ 80°，其光束質量接近於衍射極限; 慢軸方向的發散角在 6° ～ 15°，其光束質量遠遠大於衍射極限［4-7］。為了在各種不同應用領域中獲得高功 率、高光束質量的雷射，需要對光束進行整形，光 束整形不僅能夠改善雷射的光束質量，也能夠獲 得更高的光纖耦合效率。

        2011 年，Seyed 等［15］利用「反光條紋鏡」和一對變形稜鏡填充雷射束的無光區並壓縮快軸方向的光斑高度，使用「V 型堆棧鏡片」勻化光束質 量，模擬實現 1 kW 的雷射耦合進芯徑 550 μm、 NA = 0． 22 的光纖中，輸出雷射束的強度為 3． 5 × 105 W/cm2。2015 年，餘俊宏等［16］使用兩個 45° 平行四邊形稜鏡，雷射束經過兩次全內反射被切 割為兩部分，再通過稜鏡重新排列，實現了快慢軸 光束的勻化，最終將 16 個雷射 bar 耦合進光纖 中，實現光纖耦合效率 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中對光束整形效果和耦合效率的影響。實驗測量雷射器 14 ～ 19 號發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。ZE- MAX 模擬與實驗驗證均獲得了較好的整形效果，雷射束在快、慢軸方向的光束參數積( BPPs) 分別 為 7． 25 mm·mrad 和 5． 05 mm·mrad。將單 bar整形並聚焦後的雷射束耦合進芯徑 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 光學設計

2． 1 楔形整形鏡設計 

    在實驗中發現，bar 條封裝過程中引起的smile 效應［17-18］會導致發光單元指向發生變化從 而產生偏向角，而快軸準直鏡( FAC) 的安裝精度 以及光束轉化器( BTS) 對光束的旋轉都會進一步 放大偏向角度，最終影響光束整形效果和光纖耦合效率［19］。本文選用的半導體光源為 808 nm 的 cm-bar，發光單元個數 19 個，發光單元間距 500 μm。實驗中使用狹縫和 CCD 對 bar 條的 19 個發光單元偏向角進行了測量。19 個發光單元的雷射束依次通過狹縫，並在 1 m 處的位置利用 CCD 採集每束雷射光斑在 CCD 中的相對位置，以 1 號發光單元的位置為基準，計算出 2 ～ 19 號發光單元的偏向角。圖 1 是實驗測出的 bar 條每個發光單元的偏向角分布，2 ～ 13 號發光單元的偏向角 都在 0． 3 ～ 0． 6 mrad 範圍內，但是 14 ～ 19 號發光單元的偏向角在 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的楔形鏡片中引入修正角以改善發光單元的 指向偏差。

如圖 2( a) ，對於常規楔形鏡來說，鏡片輸入 面與輸出面相平行以保證雷射束經過楔形鏡後只 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。對於圖 2( b) 中的楔形鏡，引入修正角 後，光束通過修正角度後的鏡片，出射光的出射角 度發生變化，這樣就可以將 14 ～ 19 號發光單元的 偏向角修正為平行光出射。

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 號發光點的偏向角 α≈2 mrad，鏡片的折射率 n≈1． 57。聯立公式( 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 光纖耦合系統設計

        圖 3 為光纖耦合系統模型，系統中包括一個半導體雷射器 bar、準直系統、整形系統( 整形1 和整形 2) 、聚焦系統和一個芯徑 200 μm、NA = 0． 2的光纖。在光纖耦合系統模型中，準直系統採用 快慢軸準直鏡( FAC 和 SAC) 壓縮快慢軸方向的 發散角，同時利用光束轉換器( BTS) 進一步勻化半導體光源快慢軸光束質量。其作用是將通過FAC 後的雷射束旋轉 90°，即半導體雷射器的快 慢軸方向相互轉換。半導體雷射快慢軸方向光束質量相差較大，在光纖耦合系統中常採用切割、重 排［20］的整形方式，使快慢軸兩個方向 BPP 值相 近。快、慢軸方向的光束參數積分別用 Kfast 和 Kslow來表示:

再根據光束快慢軸光束質量均勻化條件有:

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散角，M 為分段的 數量。

本設計首先利用第一整形系統( 整形 1) 將 bar雷射束切割為3 段，再通過第二整形系統( 整形2) 對 3 段雷射束重排。整形1 和整形2 鏡片結構相同，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生的位移和鏡片擺放位置的不同，實現切割和重排的目 的。聚焦系統由焦距為 25 mm 的三片式鏡片組合，通過聚焦鏡對整形後的光束聚焦獲得焦點光斑。在 光纖耦合系統中根據每個發光單元的偏向角數據建 立實際的光源模型，同時在整形 2 中分別使用常規楔形整形鏡片與修正後的楔形整形鏡片，模擬出實 際的光斑圖像。

        如圖 4( a) 所示，發光單元偏向角過大會惡化雷射束的整形效果，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) 是光斑在整形後經 25 mm 聚焦鏡後的聚 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光單元的偏向角修正 後獲得了較為理想的整形效果。圖 4( d) 是在偏 向角修正後通過 25 mm 聚焦鏡後的焦點光斑，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% 。

3 結果與討論

    圖5 為光纖耦合實驗裝置，雷射光源選用的商用 cm-bar，採用 CS 封裝，輸出功率 60 W，具體參數如表 1 所示。實驗中，在光束整形系統的整 形 2 中分別使用常規楔形整形鏡和引入修正角後 的楔形整形鏡對光束進行整形，對比整形前後的 光斑圖像及焦點光斑圖像，並通過光纖耦合實驗對比引入修正角後對光纖耦合效率的改善效果。如圖 6( a) 紅框標註區域，在光纖耦合實驗中採用 常規楔形整形鏡片，光束整形效果較差，並且光斑 偏移量會隨著傳輸距離的增加而變大，整形後快 軸光束質量 8． 75 mm·mrad，慢軸光束質量 5． 25 mm·mrad。如圖 6( b) 所示，聚焦後的焦點光斑 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% ，穩定 輸出功率 48 W，對應電-光轉化效率 42． 6% 。

        如圖 7( a) 所示，光束整形系統中採用修正後 的楔形鏡片整形後的 3 段光斑沒有發生偏離現象，獲得快軸光束質量 7． 25 mm·mrad，慢軸光束質量 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，獲得穩定輸出功率 53 W，耦合 效率 87% ，對應電-光轉化效率 47% 。

        通過對楔形鏡片的修正，整形後的光斑快慢軸光束質量均有改善，實際光纖耦合效率也有較大提升。雖然相對於模擬值 98． 6% 仍然偏低，這主要是由於模擬時的參數均以 90% 能量的標準 取值，導致了部分能量的邊緣光斑因超出設計範 圍無法進入光學系統或者不滿足傳輸角度而無法 耦合進光纖中。

4 結 論

        本文針對半導體雷射 bar 發光單元指向偏離問題，對常規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 每個發光單元的偏向角度，針對偏離角度在 2 mrad左右的發光點進行修正，並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 後的楔形整形鏡片對雷射束整形，並將單個 bar 激 光束耦合進芯徑 200 μm、NA = 0． 2 的光纖中，獲得 穩定輸出功率 53 W，對應電-光轉化效率 47%，耦合效率為 87%，比使用常規的楔形整形鏡片提高 了 7%。本研究很好地實現了光纖耦合系統的高效率輸出，為半導體雷射器的光束整形設計及獲得 更高的光-光轉換效率提供了一定的參考。

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