前沿技术 | 基于半导体激光二极管单管芯片密集光谱合束技术的直接半导体激光器研究

1.5kW引擎的示意图如图 2所示，引擎由16个M12F模块组成，模块的设计锁定波长从953至991nm。16个模块的光束在快轴和慢轴方向通过焦距为750mm和1000mm的柱透镜进行再准直。为了在接近40nm的带宽内容纳尽可能多的通道，即尽可能提升激光器输出亮度，一个1851线/mm的透射光栅被用作合束器件。从3%至15%不同反射率的腔镜被用于评估波长锁定效果，最后得出的结论是3%的反馈能够实现从阈值电流至工作电流完全波长锁定。因此，最终选择仅有单面镀膜的腔镜以提供3%左右的Fresnel反射。在光栅和腔镜之间有一个滤波系统，确保芯片之间无串扰。同时以防万一，滤除未被波长锁定的光束。最后所有光束通过一个放置在腔镜之后的3倍放大伽利略式望远系统，以平衡快慢轴发散角。

图 2. 1.5kW空间输出引擎示意图。

图 3展示了基于单管DWBC技术的1.5kW引擎输出功率、电光转化效率（Power Conversion Efficiency，PCE）和光谱。引擎在9A时峰值PCE达到52.1%，在14A时最高输出功率达到2.1kW。在这台引擎中有5个芯片发生失效，若扣除失效芯片，最大PCE将超过53%。与此同时，在引擎中使用的光学器件镀膜并未专门针对953至991nm进行优化，在这一波段范围内镀膜透过率/反射率约为99.5%，镀膜导致了百分之几的额外功率损耗。设计的第一个和最后一个M12F模块锁定中心波长分别为953.4nm和991.2nm，实际测得第一个和最后一个M12F模块锁定中心波长分别为953.7nm和991.5nm。通过设计和实验对比，可以看出理论设计的正确性，与此同时，证明在整个制造过程中光学装配达到了极高的精度。

图 3. 左图：1.5kW引擎LI和PCE曲线。右图：1.5kW引擎14A工作电流输出光谱。

1.5kW 引擎输出为偏振度超过20dB的s偏振，因此可以以极其微小的功率损耗代价，通过偏振合束的方式，进一步提升输出亮度。2kW光纤耦合模块由2台1.5kW引擎组成。一台引擎之前加入了一块半波片将s偏振光转换为p偏振，再通过一个偏振合束器将两束不同偏振态的激光在NF和FF方向上叠加。图 4展示了用于材料加工的光纤耦合模块输出结果，在8A工作电流下输出功率超过2.1kW、PCE超过50.5%。在引擎单独开机测试中，每一台引擎都能通过100μm/0.22 NA QBH光纤输出超过1.8kW功率。然而2台引擎同时加电测试时在电流增加到9A后，光纤输出端光纤和端帽熔接点烧毁，因此未进行更高工作电流测试。2台引擎中心波长偏差为0.5nm，因此在光谱图中可以看到尖峰数目超过16个。

图4. 左图：2kW/100μm光纤耦合模块LI和PCE曲线。右图：8A工作电流输出光谱。

而在光纤放大器泵浦应用中，通过精密装调，可以看出2台引擎光谱完全重合，如图5所示。为了压缩光谱宽度，12台M12F模块被从2kW/100μm光纤耦合模块中移除。模块在13A工作电流下输出功率超过2kW、PCE为48.2%，如图 6所示。值得注意的是，这个测试结果为裸纤输出，输出端未进行任何镀膜处理。另外整台模块还进行了寿命测试，在25℃水冷、70%湿度条件下，400小时功率衰减小于2%。

图5 用于光纤放大器泵浦应用的2kW/100μm光纤耦合模块13A电流输出光谱。

图6 左图：用于光纤放大器泵浦应用的2kW/100μm光纤耦合模块LI和PCE曲线。右图：满功率400小时测试结果。

光纤合束器常被用于实现输出功率提升，并且可用于实现无需光学装调的全光纤DDL系统。光纤合束器输入光纤的光束质量和包层光中的光都需要控制，因为两者共同影响合束器的效率[8]。对于使用空间合束和偏振合束技术的常规单管光纤耦合模块[9]来说，单管芯片的FF对光纤输出的光束质量起决定性作用。然而对于2kW模块，刚好和常规光纤耦合模块相反，单管芯片的NF对光纤输出的光束质量起决定性作用，并且单管芯片的NF宽度在高电流下开始收缩[10]，因此在高电流下光纤输出光束质量反而会更好。在2kW/100μm光纤耦合模块光学设计中，超过0.17 NA的光都被孔径光阑所切割，因此理论上100%的光都在0.17 NA内。100μm/0.17 NA光纤输出超过2.1kW，其输出亮度超过300MW/cm²-sr。这一亮度已经使得DDL可用于厚金属切割和光纤放大器泵浦应用。除此之外，2kW光纤耦合模块还使用包层光剥除器（Cladding Power Stripper，CPS）进行了包层光测试。通过在100μm/0.22 NA传能光纤中部熔接一个CPS，观察CPS的温度变化。可以看到在2kW功率输入、无水冷的条件下CPS的温度仅为40.5℃，如图 7所示。

图7. 2kW输入、无水冷条件下100μm/0.22 NA光纤CPS稳定后温度。

整个项目最终目标是通过600μm/0.22 NA QD接口光纤输出21kW功率。2种设计思想迥异的光学设计都可以达成这一目标，分别是空间合束设计和光纤合束设计，两者具有各自的优缺点。空间合束设计可以输出更高的亮度，但是整个DDL系统的设计和组装难度大大提升。与其相比，光纤合束设计能够大幅提升整个系统的可靠性，但是随之而来的是20%光束质量恶化。举个例子，1.5kW空间输出引擎的光束质量为7mm*mrad，通过光束模型[11]可知，600μm/0.22 NA光纤最大能够允许29台引擎进行光纤耦合。通过100μm/0.22 NA光纤合成为600μm/0.22 NA光纤输出的方式，最大引擎数目仅为19台。然而15台通过100μm/0.22 NA光纤耦合的1.5kW引擎足够提供21kW输出。因此，项目最终选择光纤合束方案。部分1.5kW引擎的短波和长波M12F模块被移除，15台1.5kW光纤耦合模块在12A时输出平均功率为1.4kW。图 8展示了21kW光纤输出DDL激光器结构，15台光纤耦合模块通过1个19X1合束器实现600μm/0.22 NA光纤输出。

图8. 21kW光纤输出DDL激光器结构示意图。

图 9和图 10展示了21kW光纤输出DDL激光器的输出功率和输出光谱。21kW激光器在13A电流时输出超过22.9kW。当电流超过10A后出现了热翻转，这是由于水冷不足造成的。非常明显，15台激光器的光谱完全重合，因此光谱图中尖峰的数目正好为16。合束器造成的每一台激光器功率损失也进行了分析。激光器从600μm/0.22 NA光纤输出的功率与100μm/0.22 NA裸纤输出功率相比，变化为-60W至+30W，变化率为-4%至2%。通过分析可知，合束器不同输入端口的合束效率和输出端的增透膜共同导致了功率的增加和降低。

图9. 左图：21kW光纤输出DDL激光器LI曲线。右图：13A输出光谱。

图10. 左图：21kW光纤输出DDL激光器样机。右图：13A输出功率。

基于半导体激光单管芯片的DWBC技术展现了其在亮度提升的同时，带来的高电光转化效率和高可靠性的优点。长光华芯通过优化外延结构和对芯片出光腔面进行处理，单管芯片在高工作电流下波长锁定范围超过20nm。将这一技术应用于1.5kW空间输出引擎，实现了52.1%的PCE和2.1kW输出。基于1.5kW引擎开发了2种用于不同领域的2kW光纤耦合模块，PCE和亮度分别超过50.5%和300MW/cm²-sr。如果能够解决100μm/0.22 NA QBH光纤输出端损伤的问题，2kW光纤耦合模块的输出功率将超过3.6kW、输出亮度达到500MW/cm²-sr。最终将15台平均功率为1.4kW的光纤耦合模块通过一个19X1的合束器合成输出，实现600μm/0.22 NA QD光纤输出接近23kW。如果将2kW光纤耦合模块接入19X1合束器，预计600μm/0.22 NA光纤输出将超过460kW、PCE达到50%。可以预见，将基于半导体激光单管芯片的DWBC技术应用在其他波段，能够大幅提升相关波段的DDL激光器输出亮度和降低相应的成本。

致谢

本项研究受到科技部重点研发资助（项目号2018YFB1107300）。

参考文献

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[9]       Karlsen, S. R., Price, R. K., Reynolds, M., Brown, A., Mehl, R., Patterson, S., and Martinsen, R. J., “100-w 105-um 0.15 na fiber coupled laser diode module,” in [High-Power Diode Laser Technology and Applications VII], 7198, 71980T, International Society for Optics and Photonics (2009).

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[11]   Yu, H., Liu, Y., Braglia, A., Rossi, G., and Perrone, G., “Investigation of collimating and focusing lenses’ impact on laser diode stack beam parameter product,” Applied optics 54(34), 10240–10248 (2015).