目前市場上的高功率光纖耦合半導(dǎo)體激光系統(tǒng)，基本上都是使用bar條通過光束整形來制造的。雖然基于bar條的激光系統(tǒng)也能夠把很高的能量耦合到一根光纖中，但由于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(tǒng)的工作效率較低。而且，這些激光系統(tǒng)往往體積較大、較為笨重，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。nLIGHT公司開發(fā)的高功率光纖耦合半導(dǎo)體激光器，基于emitter結(jié)構(gòu)，而不是使用bar條，能在很寬的波長范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)緊湊的結(jié)構(gòu)、較高的亮度及較高的轉(zhuǎn)換效率[1]。 emitter結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢 nLIGHT已經(jīng)通過實(shí)踐證明，采用emitter結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器比起采用bar條的激光器有獨(dú)特、突出的優(yōu)勢。Emitter結(jié)構(gòu)能增強(qiáng)激光器件的性能、提高加工過程中的成品率、增加器件的可靠性，并且還能簡化系統(tǒng)內(nèi)部的光學(xué)設(shè)計(jì)。 相比bar條的熱互擾(cross-heating)缺陷，單emitter可使熱量向熱沉橫向擴(kuò)散，從而降低芯片的結(jié)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于20mW/祄，而單emitter則可以在超過50mW/祄條件下正常運(yùn)行。 相比bar條結(jié)構(gòu)，emitter結(jié)構(gòu)還具有成品率更高的優(yōu)勢。因?yàn)閷τ趀mitter而言，可以單獨(dú)對其分別進(jìn)行老化測試和挑? Ｏ啾戎攏琤ar條激光器很容易受到產(chǎn)品缺陷和工藝微小變化的影響，從而使得產(chǎn)品的成品率下降，增加了激光器成本。 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(chǎn)生的應(yīng)力。相比較采用bar條的激光模塊通常的平均無故障時間（MTTF）——1～2萬小時來說，基于emitter結(jié)構(gòu)的激光模塊的MTTF已經(jīng)能夠超過 10萬小時。最后，光學(xué)設(shè)計(jì)將發(fā)光區(qū)直接成像耦合進(jìn)入光纖，簡單直接，因此耦合效率極高。 采用emitter結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器的高性能、高成品率、高可靠性和設(shè)計(jì)優(yōu)勢，直接提高了整個激光系統(tǒng)的性能。多個emitter的高線性功率密度可以轉(zhuǎn)化為高亮度和高效率的半導(dǎo)體激光器件，還可進(jìn)一步組建成高亮度的激光系統(tǒng)。每個emitter都可以單獨(dú)進(jìn)行光學(xué)準(zhǔn)直，然后耦合到光纖中，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)大于95％的光纖耦合效率。通過精心設(shè)計(jì)器件的幾何尺寸和相應(yīng)的光路系統(tǒng)，可減小多個emitter間的無光區(qū)域間隔，從而保持激光器的高功率和高亮度特性，轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到50％～60％。 采用emitter結(jié)構(gòu)的激光器體積? ⒔峁菇舸眨⒂滌辛己玫娜卻寄芰ΑＳ氪訟嚳吹氖牽赽ar條的激光系統(tǒng)的光束整形需要使用復(fù)雜的光學(xué)元器件來變換bar條輸出的不對稱光，經(jīng)過準(zhǔn)直然后再聚焦進(jìn)入光纖。通常，這種光束整形方法所實(shí)現(xiàn)的光纖耦合效率為70％～80％。此外，由于存在熱互擾的問題，bar條的設(shè)計(jì)效率通常也只能達(dá)到40％～50％，由此產(chǎn)生的整體系統(tǒng)效率通常只有30％～35％，產(chǎn)生的大量的熱量需要進(jìn)行主動冷卻。 Pearl系列產(chǎn)品 圖1. 左圖為可容納多達(dá)10個單emitter二極管的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 mmnLIGHT的高亮度PearlTM系列產(chǎn)品基于emitter結(jié)構(gòu)，該系列產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)：96.5mm 50mm 19.5 mm和124mm 50mm 23mm，如圖1所示。盡管外形非常小巧，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(chǎn)生超過 80W的光功率，并能夠耦合進(jìn)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(chǎn)生超過120W的光功率，也能夠耦合進(jìn)一根芯徑為200祄，NA為0.22的多模光纖中去。這些功率對應(yīng)的功率/體積比值都大于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(jié)構(gòu)的光纖耦合模塊的單位體積功率介于0.05～0.26W/cm3之間。雖然典型的單bar條結(jié)構(gòu)的光纖耦合模塊能提高至0.25～0.75W/cm3之間，但這通常也僅限于光功率小于40W的激光器系統(tǒng)。 圖2.（左）Pearl模塊產(chǎn)生大于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(chǎn)生大于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，光譜半高寬小于3.5nm。 除了能以小尺寸結(jié)構(gòu)提供高功率的應(yīng)用外，nLIGHT的Pearl產(chǎn)品線還可提供高亮度的激光應(yīng)用[2]。為了滿足高亮度激光市場的需求，nLIGHT使用6個emitter輸出約40W的光功率，并將它耦合進(jìn)入一根芯徑僅為100祄、NA為0.22的光纖中去，對應(yīng)的亮度已經(jīng)超過 5.5mW/cm2 *球面度。這是一個極具競爭力的亮度值。在完成輸出高亮度激光的同時，nLIGHT并沒有犧牲應(yīng)有的轉(zhuǎn)換效率。該高亮度激光系統(tǒng)在工作條件下的電光轉(zhuǎn)換效率超過45％，如圖3所示。 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(tǒng)的效率大于55％，耦合到芯徑為400祄的光纖中，輸出波長為 940nm。在用戶需要更高轉(zhuǎn)換效率的激光應(yīng)用場合，nLIGHT把16個emitter產(chǎn)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(jié)果表明，產(chǎn)品峰值電光效率能大于60％，典型轉(zhuǎn)換效率大于59％。相信這是迄今為止已有的轉(zhuǎn)換效率最高的一個高功率、高亮度光纖耦合系統(tǒng)，見圖3。 總之，nLIGHT公司基于emitter結(jié)構(gòu)的激光器產(chǎn)品，外形小巧緊湊，具有十分突出的輸出功率和亮度。該產(chǎn)品能夠提供前所未有的高轉(zhuǎn)換效率（在眾多波長下的轉(zhuǎn)換效率值都超過50％）。此外，此產(chǎn)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(xiàn)： 1. S. Patterson, et al., DEPS 20th SSDLTR, (2007). 2. P. Leisher, et al., Proc. SPIE, vol. 6952, (2008).