作者：Matthias Haag，Bernd Kohler，Jens Biesenbach，Thomas Brand, DILAS公司 對于光纖激光器泵浦和材料加工應(yīng)用，半導(dǎo)體激光器的高亮度已經(jīng)變得越來越重要。對OEM工業(yè)用戶來說，光纖耦合輸出裝置比直接輸出模塊具有很多優(yōu)點(diǎn)：光纖輸出是一種標(biāo)準(zhǔn)接口，光束傳輸非常容易幾乎沒有限制。除了傳輸功能，光纖還具有均化光斑的作用：從光纖中輸出的激光光斑是對稱的，并且具有高度可重復(fù)性光束質(zhì)量和指向穩(wěn)定性。 然而，有效的光纖耦合需要合適的慢軸光束質(zhì)量以滿足光纖的要求。基于標(biāo)準(zhǔn)的10mm陣列的半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)，經(jīng)常采用光束變換系統(tǒng)對高度非對稱的半導(dǎo)體激光器陣列或垂直疊陣的輸出光進(jìn)行整形。這些光束變換系統(tǒng)（棱鏡組、透鏡組、光纖束等）價格昂貴，而且隨著復(fù)雜程度的提高，效率也在降低。尤其是對于具有較小光纖直徑的高功率器件來講，更是如此。此外，基于單管的系統(tǒng)具有降低成本的潛力，而光纖束亮度卻受限于固有的填充因子損耗。 德國DILAS公司已經(jīng)開發(fā)了一種新型半導(dǎo)體激光器裝置，該裝置集半導(dǎo)體激光器陣列和單管的優(yōu)點(diǎn)于一身：高亮度、高可靠性、具有單管的廉價結(jié)構(gòu)。該器件的核心是一個特殊設(shè)計的半導(dǎo)體激光器陣列（T-Bar），其晶體外延和側(cè)面結(jié)構(gòu)被設(shè)計成僅需標(biāo)準(zhǔn)的快軸和慢軸準(zhǔn)直透鏡組，就可以把光束耦合到直徑為200μm的光纖中。在第一階段，有多達(dá)30個同一波長的T-Bars輸出被耦合到光纖中，其輸出功率大于500W。按照現(xiàn)在單管的發(fā)展，在 200μm光纖中的輸出功率有望達(dá)到1kW。 高亮度光纖耦合半導(dǎo)體激光器 芯片技術(shù)的不斷發(fā)展以及精密微光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用，使光纖耦合高功率半導(dǎo)體激光器（HPDL）可以在功率和亮度方面與燈泵固體激光器（LPSSL）相競爭。在不久的將來，半導(dǎo)體激光器將在很多應(yīng)用中取代燈泵固體激光器。 目前半導(dǎo)體激光器的發(fā)展主要受到材料加工領(lǐng)域日益增長的需求的驅(qū)動。另外，隨著很多應(yīng)用將光纖激光器作為首選光源，也在一定程度上推動了對更高亮度光纖耦合泵浦模塊的需求。最終，高亮度泵浦源促使了光纖激光器輸出的高亮度。對泵浦光源光束質(zhì)量的要求與光纖激光器的設(shè)計直接相關(guān)，如泵浦光纖和增益光纖的布局。目前，大多數(shù)光纖激光器的設(shè)計采用兩種基本布局：（一）單端泵浦和雙端泵浦結(jié)構(gòu) a）泵浦光束通過自由空間光器件被耦合到雙包層光纖的一端或兩端，高功率激光束通過雙色鏡輸出（圖1a）。 b）泵浦光束通過單模或多模光纖合束器（通常是6+1×1）被耦合到雙包層光纖中。 （二）側(cè)面耦合結(jié)構(gòu) a）一個或多個多模泵浦光纖與增益光纖在共同的包層中相連接。 b）分布式側(cè)面耦合：許多光纖耦合單管模塊（或最新包含兩個或三個單管模塊）被熔接到增益光纖的泵浦纖芯（圖1b）。 這些不同結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在一些文獻(xiàn)中已有描述。所需泵浦光源的光束指標(biāo)可以直接從增益光纖的設(shè)計中推導(dǎo)出來。泵浦光束的波長由增益光纖纖芯中的摻雜物質(zhì)決定，其光束質(zhì)量（即光束參量積BPP，定義BPP=ω0θ；其中θ為半遠(yuǎn)場發(fā)散角；ω0為半束腰直徑，ω0=d0/2）由泵浦纖芯（雙包層光纖）或泵浦光纖（側(cè)面泵浦光纖）決定。 圖2給出了典型的光纖設(shè)計，并給出了數(shù)值孔徑（NA）和纖芯直徑。對于分布式側(cè)面耦合結(jié)構(gòu)，泵浦光源的設(shè)計非常清晰：盡可能多地把功率從單管耦合到125μm/NA 0.12的光纖中。對于其他需要更高功率水平的光纖結(jié)構(gòu)，可以有多種選擇來制造合適的泵浦光源，比如使用單發(fā)射陣列激光器和錐形半導(dǎo)體激光器，但是大多數(shù)制造商主要采用兩種方法制造高亮度模塊： （一）基于單管的泵浦光源 功率的提高或是在自由空間排布上利用空間復(fù)用多個單管，或是通過單級或多級光纖并束器。（二）基于寬面積半導(dǎo)體激光器陣列的泵浦光源 自由空間排布的半導(dǎo)體激光器陣列被直接耦合到高數(shù)值孔徑的泵浦光纖中，或是通過光纖并束器把多個高亮度光纖器件合并以提高功率。 圖3給出了兩種設(shè)計方法的內(nèi)在比較。在過去的幾十年間，制造商趨向于將半導(dǎo)體激光器陣列和單管的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合。從半導(dǎo)體激光器陣列制造商方面來看，這種趨勢最直接的驅(qū)動力來自于有競爭力的價格潛力和單管技術(shù)的長壽命。另一方面，單管制造商正在尋求用一個多單管陣列或標(biāo)準(zhǔn)陣列實(shí)現(xiàn)的光纖耦合器件。例如，應(yīng)用于材料加工的每陣列具有4個單管的短條設(shè)計，以及用于光纖激光器泵浦的自由空間單管設(shè)計。作為生產(chǎn)傳統(tǒng)封裝半導(dǎo)體激光器陣列的公司，德國DILAS融合了這兩種基本結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)的10mm陣列上實(shí)現(xiàn)了單管的很多優(yōu)良特性。DILAS公司的最終目標(biāo)是在一個多功能模塊上以最小的成本/功率值實(shí)現(xiàn)最高的亮度，進(jìn)而滿足泵浦光源與材料加工方面的應(yīng)用。 T-BAR的設(shè)計 T-Bar代表定制的半導(dǎo)體激光器陣列。T-Bar是多個單管的半導(dǎo)體陣列，其間距（兩個相鄰單管的中心距）和寬度的選擇是為了保證在不使用復(fù)雜光束整形器件的條件下，實(shí)現(xiàn)慢軸方向所需要的光束質(zhì)量。在快軸方向，為了獲得最高亮度的激光光斑、并耦合進(jìn)光纖器件，在垂直方向上排布的半導(dǎo)體激光器陣列的數(shù)目要跟慢軸的光束質(zhì)量相匹配。一般來說，T-Bar具有以下兩個主要特征： ●所有單管的慢軸光束參量積，都等于耦合光纖所需的光束質(zhì)量； ●微光學(xué)系統(tǒng)的使用限制于快軸準(zhǔn)直器和慢軸準(zhǔn)直器，以減小畸變、提高填充因子。 T-Bar的設(shè)計通常遵循以下典型步驟：首先定義光纖參量（直徑和數(shù)值孔徑），然后設(shè)計陣列的側(cè)面結(jié)構(gòu)，最后確定與光纖匹配的半導(dǎo)體激光器陣列的數(shù)目。表1描述了三種不同的光纖直徑以及相對應(yīng)的快軸和慢軸參數(shù)下的半導(dǎo)體激光器疊陣參數(shù)。為了克服技術(shù)和成本方面的限制，T-Bar在研發(fā)中需要考慮以下方面： A）成本 對于典型的光纖耦合半導(dǎo)體激光器模塊，其主要成本來源于半導(dǎo)體芯片和微光學(xué)系統(tǒng)。事實(shí)上，模塊的亮度越高，則微光學(xué)系統(tǒng)占據(jù)的成本比例就越大。對于一個使用傳統(tǒng)的10mm半導(dǎo)體激光器陣列的200μm光纖輸出模塊，其微光學(xué)系統(tǒng)的成本很容易達(dá)到甚至超過總成本的50%。再加上準(zhǔn)直和安裝費(fèi)用，微光學(xué)系統(tǒng)占據(jù)了總成本的60%以上。T-Bar研發(fā)的一個主要目標(biāo)是在保持相同半導(dǎo)體芯片成本的前提下，將微光學(xué)系統(tǒng)的成本降到總成本的20%以下。只有去除為了重新排列和旋轉(zhuǎn)每個單管的復(fù)雜的棱鏡和透鏡系統(tǒng)，并限制準(zhǔn)直微光學(xué)系統(tǒng)的使用，才有可能降低成本。 B）冷卻 另一個直接影響成本/功率值的因素是在半導(dǎo)體激光器前端面獲得的功率密度。即使使用最先進(jìn)的安裝技術(shù)（硬焊料），標(biāo)準(zhǔn)的商用10mm半導(dǎo)體激光器陣列可獲得的功率密度的最大值為25W/mm。對于單管，目前可獲得的功率密度為50～100W/mm，預(yù)計最大可達(dá)200W/mm。這個差異主要是由熱因素導(dǎo)致的：即使使用微通道熱沉，比如安裝在C-mount熱沉上，冷卻一個密集封裝的半導(dǎo)體激光器陣列的效率都要遠(yuǎn)低于冷卻一個單管。 除了價格因素，冷卻效率也極大地影響半導(dǎo)體激光器的性能和壽命。實(shí)驗(yàn)表明，在一個典型半導(dǎo)體激光器陣列中，相鄰單管的熱串?dāng)_導(dǎo)致了半導(dǎo)體內(nèi)的絕大部分熱沉積。這種現(xiàn)象對高填充因子的半導(dǎo)體激光器陣列（如50%）、非優(yōu)化的熱阻和具有銅鎢基底（sub-mount）的硬焊料焊接的半導(dǎo)體激光器尤其明顯。解決熱串?dāng)_的唯一辦法是增加單管之間的距離。然而從芯片層面來看，這與低成本相矛盾，因?yàn)榇蟮拈g距意味著低填充因子。另外，當(dāng)半導(dǎo)體激光器的填充因子降低時，F(xiàn)AC和SAC透鏡的成本效率也降低。基于熱仿真的迭代方法被用來設(shè)計T-Bar，以尋找成本和性能之間的折中方案。 C）光束質(zhì)量 所需陣列的光束參數(shù)，可以很容易地通過耦合光纖的直徑和數(shù)值孔徑計算得到。通常情況下，對于給定的外延結(jié)構(gòu)和腔長，半導(dǎo)體激光器慢軸的發(fā)散角是電流的函數(shù)，也是光功率的函數(shù)。只要確定了半導(dǎo)體激光器的工作點(diǎn)，其輸出光束的發(fā)散角就可以用來計算陣列的總長度，并實(shí)現(xiàn)一定的光束參量積。陣列長度以及冷卻限制決定了T-Bar的側(cè)面結(jié)構(gòu)。比如，一個500μm的單管的光束質(zhì)量與五個平均分布在10mm半導(dǎo)體激光器陣列上的100μm單管相同。然而，冷卻低填充因子的半導(dǎo)體激光器效率會更高。 除了冷卻因素，低填充因子不但提高了慢軸的準(zhǔn)直性能，還提高了整個慢軸的光束質(zhì)量。另一方面，假設(shè)使用類似的安裝技術(shù)，與短的高填充因子半導(dǎo)體激光器陣列相比，一個長的低填充因子的半導(dǎo)體激光器陣列，在快軸光束畸變方面更容易受到彎曲的影響。DILAS公司的T-Bar，可以最大限度地滿足這些相互矛盾的需求。 D）壽命 10mm半導(dǎo)體激光器陣列的典型壽命是10,000～20,000小時，這取決于工作模式和環(huán)境條件。與這些數(shù)字形成鮮明對比的是單管的壽命，一般都在50,000小時以上。除了技術(shù)因素（冷卻、內(nèi)部應(yīng)力等）外，單管結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體激光器陣列相比具有固有的優(yōu)勢：電氣隔離和環(huán)境隔離。在一個半導(dǎo)體激光器陣列上，一定數(shù)量的單管被緊湊排列、并行地連接在一起。如果沒有空間隔離和電氣隔離，將會出現(xiàn)致命情況：一個單管的失效，會因?yàn)槎搪坊蛭廴酒渌麊喂鼙砻娑鴮?dǎo)致整個半導(dǎo)體激光器陣列失效。圖4給出了相關(guān)的關(guān)系圖，其中半導(dǎo)體激光器陣列上的單管以串聯(lián)形式排布。單管可以并行方式連接，這樣其中一個單管的失效不會影響其他單管。因此，對于給定時間內(nèi)完全并行連接的單管陣列，其基于MTTF計算的存活概率R（t）要遠(yuǎn)高于半導(dǎo)體激光器陣列。其中，MTTF為平均失效時間，F(xiàn)（t）為失效概率，n為串聯(lián)的半導(dǎo)體激光器數(shù)目。 實(shí)際上，單管和半導(dǎo)體激光器陣列的差異并不完全像圖4中的表格所描繪的那樣，因?yàn)榈侥壳盀橹梗⒉皇敲恳粋€單管的失效都會導(dǎo)致整個半導(dǎo)體激光器陣列失效。然而，從統(tǒng)計的角度看，減少半導(dǎo)體激光器陣列上單管的數(shù)目，是提高壽命的有效手段。基于此，DILAS公司的T-Bar所包含的單管數(shù)目，比標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體激光器陣列要少。 500W/200μm樣機(jī)的設(shè)計與特性 T-Bar模塊的光學(xué)設(shè)計的突出特點(diǎn)是簡潔高效，這使每瓦的成本非常具有優(yōu)勢。圖5給出了500W樣機(jī)的光學(xué)裝置圖。半導(dǎo)體激光器被排布成兩個偏振耦合模塊，每個模塊包含兩列交叉的二級管。為了配合前面和后面二級管的發(fā)射光束，裝置采用了一個新型光學(xué)元件，它不僅能偏轉(zhuǎn)每個半導(dǎo)體激光器發(fā)射的交叉光束，還能補(bǔ)償光程差。在慢軸方向，不需要進(jìn)一步的光束整形；在快軸方向，為了在聚焦透鏡處形成對稱光束，光束通過一個柱透鏡望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)壓縮。然后通過一組球面透鏡把光束聚焦到200μm的光纖中。 圖5 光線耦合模塊裝置為了達(dá)到亮度水平，就需要一個剛性的、熱穩(wěn)定好的機(jī)械裝置以保證器件可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。器件使用了一個可以包含所有光學(xué)支架和半導(dǎo)體激光器基板的硬質(zhì)單框架模塊盒，來滿足其對硬度、緊湊性和簡單性的要求。光纖的中心位置決定了可以使用傳導(dǎo)冷卻光纖連接器。對兩個半導(dǎo)體激光器模塊和光纖基座的冷卻，是通過使用公共入水口實(shí)現(xiàn)的。被動冷卻方案允許使用工業(yè)水，但這是嚴(yán)格禁止在模塊內(nèi)部使用的。圖6顯示了裝有初步高功率光纖適配器模塊的實(shí)物圖，其外觀尺寸為 250mm×150mm×40mm。今后的主要工作是設(shè)計一個傳導(dǎo)冷卻的低成本光纖，使之能輸出1kW的連續(xù)光。目前還沒有這種光纖，所以仍在使用標(biāo)準(zhǔn)的QBH水冷高功率光纖。圖7 給出了第一臺模塊樣機(jī)的光學(xué)性能。功率電流（PI）曲線（圖7a）表明，在電流大約為39A時，在200μm光纖中可以獲得500W的功率輸出。目前開發(fā)中遇到的主要問題是，增加電流會導(dǎo)致效率降低，并在PI曲線上出現(xiàn)明顯彎曲。模塊輸出的均勻光譜（圖7b）表明，其可以高效地將熱量通過底板從每個熱沉傳導(dǎo)到冷卻水。 結(jié)論與展望 使用一種新型半導(dǎo)體激光器陣列設(shè)計方法，DILAS公司開發(fā)出了高亮度光纖耦合激光器模塊，低成本、簡潔、高效是其主要特征。首臺樣機(jī)可從200μm光纖中輸出500W的976nm激光。T-Bar模塊系統(tǒng)集二級管陣列和單管的優(yōu)點(diǎn)于一身，是極具潛力的光纖激光器泵浦源。 DILAS的下一個目標(biāo)是改進(jìn)半導(dǎo)體激光器和模塊的整體設(shè)計，特別是芯片的進(jìn)步將有望大幅降低每瓦成本，并延長壽命。對于模塊樣機(jī)，100μm單管條，功率限制在每個單管6W。在不久的將來，輸出功率有望達(dá)到10W，這對增加模塊的亮度以及降低每瓦成本都將產(chǎn)生積極影響，每瓦成本將小于20美元。 模塊設(shè)計的改進(jìn)可以解決熱耗散與操作問題。降低二級管陣列和水循環(huán)之間的熱阻，對半導(dǎo)體的性能和壽命都有巨大影響。該項(xiàng)目研究了減少熱接觸面數(shù)目的新型安裝技術(shù)，并使用了CVD鉆石以及復(fù)合材料。秉承著簡單操作的理念，DILAS最終想生產(chǎn)出能“任意使用的模塊”。今后的設(shè)計目標(biāo)是完全免維護(hù)，并具有超長壽命、體積更小的單管的使用，將有助于該目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。 參考文獻(xiàn)： 1. S. Norman, M. Zervas, A. Appleyard, P. Skull, D. Walker, P. Turner, I. Crowe; “Power Scaling of High Power Fiber Lasers for Micromachining and Materials Processing Applications”; Proc. SPIE Vol. 6102, (2006) 2. H. Schlüter, C. Tillkorn, U. Bonna, G. charache, J. Hostetler, T. Li, C. Miester, R. Roff, T. Vethake, C. Schnitzler; “Dense Spatial Multiplexing Enables High Brightness Multi-kW Diode Laser Systems”; Proc. SPIE Vol. 6104, (2006)