在过去的十年里,二极管激光器在功率和可靠性方面都取得了巨大的进步。性能的改进使新的应用成为可能,特别是在光学亮度是一个关键性能指标的领域。光纤耦合二极管抽运光纤激光器是一项重要的商业、工业和国防应用技术。材料加工,曾经是光纤激光器的唯一领域,现在可以在某些方面通过直接通过光纤传输的二极管激光束来解决。

二极管激光器

图1(左)。激光二极管结构的示意图。图1(右)。激光二极管中的光学腔和光输出。
二极管激光器通常由分子束外延或金属有机化学气相沉积生长的分子层分层的二元,三元和季半导体晶体构成。二极管激光工程师的作业是正确选择组成元件并使层进行结构,以实现二极管激光器的必要电光特性,有效地控制电子的流量和捕获和激光穿过的正确引导结构体。

故意培植半导体晶体,使其晶格中混入杂质。这些杂质用来控制半导体的导电性,结构的一边接收额外的电子,另一边接收称为空穴的正载流子。在半导体激光器结构的中心附近是量子阱,作为半导体激光器的有源区域。量子阱只有几十埃宽,窄到足以为电子和空穴创造量子化的能量状态。载流子量子化能态之间的能量差决定了半导体激光器的发射波长。仔细设计量子阱中的应变可以让工程师进一步调整器件的阈值电流和增益特性等特性。

当加工外延结构时,沉积在半导体表面上的金属化层用作电载体的注射面积,即在足够的数量到有源区时,产生达到激光所需的群体反演。通过切割半导体的两侧来完成激光结构以产生实现激光所需的最终元件所需的反射刻面,光反馈的反射刻面。

在实践中,二极管激光器的面被涂上了一层介质,在一端提高反射率,另一端降低反射率,确保大部分光从激光器的一端出来。半导体的切割产生了这些面,在晶体/空气界面留下了悬浮的原子键,这些键作为电载体的复合位点,产生的是热而不是光。在二极管激光器实现长寿命和高功率方面,facet一直是限制因素,由于载流子重组导致的灾难性光学损伤,facet失败。近年来,由于表面处理和涂层技术的进步,最大可实现功率迅速提高,可靠性也随之提高,可延长到数万小时的使用寿命。图1描述了二极管激光器的结构和光腔。

图2.在快速且慢速轴准直的光轴上结合了8个激光棒的光学概念,总共300W的来自50A的核心光纤,效率大于50%。
在正常到二极管激光器的平面中,通过电子区域中的电子和孔的重组产生的相干光场被由半导体的各个层引入的光学指数变化引导。它是具有引导激光光学领域的相同的半导体层的罕见,偶然的礼物之一,其中如此良好地具有将所需的电子限制在二极管中的特征。由于光学引导层非常薄,但深度仅几微米,并且限制是衍射限制的,光场的该轴线在90%电源外壳的全宽度的范围内非常快速地发出迅速,通常在80度以上的范围内。。因此,它被称为二极管的快速轴。

平行于二极管平面的光场要么是非常弱的光导,要么是仅由半导体中存在足够注入电流以获得光增益的区域来引导。由金属化所定义的注入区域的宽度通常为50到200微米。给定这样一个宽广的光学多模轮廓,在这个方向发出的光远不受衍射限制,通常被称为设备的慢轴。慢轴的发散度通常为10-15度,在全宽度,90%的电源框。

光学工程师必须操纵的快速和慢速轴的性质,以便将激光有效地将激光耦合到光纤中。二极管的特征是其亮度 - 对光束参数产品(BPP)的输出功率的比率,其中BPP是梁腰部尺寸的乘积及其分歧。二极管激光器的亮度是最好的保守量,这意味着只能通过被动装置改善,但是通过功率损耗和光束失真可以减小它。高亮度纤维耦合二极管激光模块设计的技术是最高亮度二极管激光器的开发和制造,然后将激光操纵到光纤中,同时损失尽可能少的原始亮度。

光学

在离开二极管方面之后,发射的激光必须快速准直,使得通过模块中的吸收或散射不会丢失。快速轴通常由500-1000微米焦距的圆柱镜头捕获。该轴的衍射有限性质导致毫拉迪人的低,单位数的残余快速偏差。

在慢轴上,激光棒上的每个二极管激光发射器都有自己的慢轴透镜。为了达到最好的准直,最好尽可能多地填充透镜孔径,从而在每个透镜邻接的边缘造成散射损失。由于多模态和光束远远超过衍射极限,这些透镜只能实现10-15毫弧度的残余发散,同时保持损耗。功率损耗和亮度损耗的其他来源是光学界面和非理想透镜形状的损耗。

光学质量的常见量度是M2。1表示梁是该轴的完美高斯。价值M2的任何增加超过1表示不断恶化的光束质量。对于二极管激光器,快速轴合理地接近M2值为1,但是每个发射器的慢轴更靠近10或更多。因此,希望改变光束,使得一个轴仅在慢轴方向上保持单个光束的差的M2,同时堆叠另一个轴中的光束,使得来自每个发射器的近乎理想的快速轴是添加剂。净结果是更容易耦合到光纤的对称光束质量轮廓。

图3. IS46,定制激光棒(T-Bar)模块。
进一步下,光学通路,光学望远镜用于交易梁尺寸以进行光束发散。如果残留光束发散未被充分控制,则产生梯形效果,源自更远的二极管的光束产生更大的光斑尺寸,这些尺寸不会有效地耦合到光纤中。还需要使用望远镜,以将光束的光斑尺寸和数值孔径匹配到纤维的芯尺寸和数值孔径。

为了将光束保持在模块尺寸的设计约束内,镜子通常用于重定向光束路径以及在光束的组合中。束缚光堆叠的光束对于在模块中实现高亮度至关重要,但实际限制防止光束的精确边缘到边缘对齐。图2示出了在左侧的快速轴方向上的多个光束的光学堆叠,并且模块的全光学模拟以包括右侧的所有光学器件。

最后,偏振复用可以通过旋转一半发射光的偏振,然后将其与另一半发射光物理叠加,从而使二极管激光阵列的亮度增加一倍。由于半导体激光器的偏振纯度一般在95%或更低,这种方法导致了一些功率损失来换取增加的光学面密度。必须仔细考虑这种技术的应用。

光纤

在其最简单的化身中,光纤是具有较低光学指数包层的更高光学指数芯的柔性,圆柱形的配对。光纤通过全内反射引导光线。目前,典型的纤维芯直径为100,200,400,800和1000微米,但没有特别限制芯尺寸,并且可以容易地发现其他直径。

图4. IS46模块的电光特性。
纤维的典型数值孔径(Na)或等效地,纤维可以接受光的最大发射角度为0.15,0.22和0.44,但在这里,在这里,其他值肯定是可能的并且可用。任何撞击纤维的灯,具有大于芯直径的光斑尺寸(梁腰部)或大于Na的角度都是耦合到包层层中或直立反射。在任何一种情况下,模块工程师必须处理核心外的任何光线。芯直径越小,Na越低,给定功率的光纤的亮度是较高的。

由于从二极管发出的光的几何形状,递送到光纤的光束在物理和NA空间都是矩形的。由于纤维的几何形状在两个空间都是圆柱形的,因此经常有必要故意填充纤维孔径的两个空间,而NA的填充对纤维的生存能力更危险。

在这些情况下,经常使用模式剥离器来剥离覆层,然后在它可以传播和损坏光纤或递送到光纤的末端,在那里它可以损坏负载。

一个设计的例子

Dilas制造了一种二极管激光模块,可将300w的出口末端提供300w,纤维的出口端,但重量仅为约300克(图3),同时为光输出功率实现大于50%的电气输入功率(E-to-o)效率。二极管激光芯片发动机是定制的激光棒或T杆,其最大化二极管激光器的亮度。来自制造线的棒的65-70%E-TO-O的效率是典型的。在散热中的相对长的二极管腔辅助助剂,延长二极管寿命,并降低慢轴发散。发射器间隔,但热量隔离一个发射极来自另一个允许最佳发电的发射器,同时再次,延伸二极管寿命并降低发散。

上述部分中未涵盖是更实用但困难的设计挑战之一 - 从模块中取出废热的挑战之一。对于IS46,二极管安装在直接铜 - 键(DCB)散热器上,散热器通过该结构流动。该设计易于以低成本生产的质量,允许水非常靠近二极管表面以获得高效的散热,并重达30克。总共四个T杆安装到单个DCB,导致200W原始光功率的光学构件块。模块中只需要两个这样的DCB。大多数模块重量由支撑电路板所需的主干,使其在不伴随体重增加的情况下容易地可扩展。

然后,T杆具有快速和慢轴透镜的微透镜。随后的光学系膨胀光束并包括几个折叠镜,以使模块包络小于汤可以封闭的体积。二极管安装和光学对准是在自动化机器上进行的,从而提高吞吐量,重复性和产量,同时降低成本。图4提供了IS46的光学性能。

概括

理想的光纤耦合模块是完美光束质量的单个100%有效二极管激光器的一个,而无需任何中间梁组合或透镜操作,而不需要任何中间梁组合或透镜操作,其单一,100%有效的二极管激光器无需丢失而无需丢失。二极管激光工程师继续将最先进的技术推动大功率,高亮度,高效二极管激光器,每年都会让我们更接近那种理想化的单一发射器。

与此同时,光学工程师认为更聪明的方式将光束与损失降低相结合。为了容纳这样的模块,机械工程师通过降低成本和重量,发明了以更高的效率来管理不可避免的损失的新方法。

本文是由Tobias Koenning,David Irwin,Steve Patterson,博士学位,博士博士,博士,博士,博士。,博士,博士。,Dilas Diode Laser,Inc。(图森,AZ)。有关更多信息,请联系Patterson博士此电子邮件地址受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用Javascript来查看它。,或者访问http://info.hotims.com/55585-200.


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本文首先出现在2015年1月份的问题Photonics技金宝搏官网术简报杂志。

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