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当光纤耦合高功率高亮度半导体激光泵浦源的最

发布时间:2021-09-11 15:47:39 阅读: 来源:棉门帘厂家
当光纤耦合高功率高亮度半导体激光泵浦源的最

光纤耦合高功率、高亮度半导体激光泵浦源的最新进展

目前市场上的高功率光纤耦合半导体激光系统,基本上都是使用bar条通过光束整形来制造的。虽然基于bar条的激光系统也能够把很高的能量耦合到一根光纤中,但由于bar条固有的器件热互扰问题和较低的光纤耦合效向着世界科技强国不断前进率,将使整个系统的工作效率较低。而且,这些激光系统往往体积较大、较为笨重,且结构复杂。nLIGHT公相信我们的产品一定能取得国内外市场认可司开发的高功率光纤耦合半导体激光器,基于emitter结构,而不是使用bar条,能在很宽的波长范围内实现紧凑的结构、较高的亮度及较高的转换效率[1]。

emitter结构的优势

nLIGHT已经通过实践证明,采用emitter结构的半导体激光器比起采用bar条的激光器有独特、突出的优势。Emitter结构能增强激光器件的性能、提高加工过程中的成品率、增加器件的可靠性,并且还能简化系统内部的光学设计。

相比bar条的热互扰(cross-heating)缺陷,单emitter可使热量向热沉横向扩散,从而降低芯片的结温度,增加单 emitter的输出功率。例如,bar条的线性功率密度往往要小于20mW/祄,而单emitter则可以在超过50mW/祄条件下正常运行。

相比bar条结构,emitter结构还具有成品率更高的优势。因为对于emitter而言,可以单独对其分别进行老化测试和挑选。相比之下,bar条激光器很容易受到产品缺陷和工艺微小变化的影响,从而使得产品的成品率下降,增加了激光器成本。

另外在封装上,单emitter底面比bar条面积小很多,这使得emitter与下面热沉材料的热膨胀差别大大减少,从而减少封装过程中产生的应力。相比较采用bar条的激光模块通常的平均无故障时间(MTTF)——1~2万小时来说,基于emitter结构的激光模块的MTTF已经能够超过 10万小时。最后,光学设计将发光区直接成像耦合进入光纤,简单直接,因此耦合效率极高。

采用emitter结构的半导体激光器的高性能、高成品率、高可靠性和设计优势,直接提高了整个激光系统的性能。多个emitter的高线性功率密度可以转化为高亮度和高效率的半导体激光器件,还可进一步组建成高亮度的激光系统。每个emitter都可以单独进行光学准直,然后耦合到光纤中,这样能够实现大于95%的光纤耦合效率。通过精心设计器件的几何尺寸和相应的光路系统,可减小多个emitter间的无光区域间隔,从而塑料是重要的有机合成高份子材料保持激光器的高功率和高亮度特性,转换效率能达到50%~60%。

采用emitter结构的激光器体积小、结构紧凑,并拥有良好的热传导能力。与此相反的是,基于bar条的激光系统的光束整形需要使用复杂的光学元器件来变换bar条输出的不对称光,经过准直然后再聚焦进入光纤。通常,这种光束整形方法所实现的光纤耦合效率为70%~80%。此外,由于存在热互扰的问题,bar条的设计效率通常也只能达到40%~50%,由此产生的整体系统效率通常只有30%~35%,产生的大量的热量需要进行主动冷却。

Pearl系列产品

图1. 左图为可容纳多达10个单emitter二极管的Pearl模块,外形子尺寸为96.5mm 50mm 19.5 mm;右图为高功率Pearl模块,外形尺寸为124mm 50mm 23 mm

nLIGHT的高亮度PearlTM系列产品基于emitter结构,该系列产品结构紧凑、尺寸小巧,却仍然具有较高的输出功率。Pearl系有两种非常小巧的商用模块设计:96.5mm 50mm 19.5 mm和124mm 50mm 23mm,如图1所示。尽管外形非常小巧,但这些器件拥有非常高的单位体积功率。例如,由10个emitter组成的小尺寸Pearl模块,可产生超过 80W的光功率,并能够耦合进一根芯径为200祄的多模光纤中;而由有16个emitter组成的稍大尺寸的Pearl模块,能产生超过120W的光功率,也能够耦合进一根芯径为200祄,NA为0.22的多模光纤中去。这些功率对应的功率/体积比值都大于0.9W/cm3。两种尺寸模块的L-I-V曲线如图2所示。相比之下,多bar条结构的光纤耦合模块的单位体积功率介于0.05~0.26W/cm3之间。虽然典型的单bar条结构的光纤耦合模块能提高至0.25~0.75W/cm3之间,但这通常也仅限于光功率小于40W的激光器系统。

图2.(左)Pearl模块产生大于80W的光功率耦合到芯径为200祄的光纤中,此模块的单位体积功率大约为 0.95W/cm3。(右)Pearl模块产生大于120W的光功率耦合到芯径为200祄的光纤中,此模块的单位体积功率大约为0.93W/cm3。这两个模块的输出波长均为976nm,光谱半高宽小于3.5nm。

除了能以小尺寸结构提供高功率的应用外,nLIGHT的Pearl产品线还可提供高亮度的激光应用[2]。为了满足高亮度激光市场的需求,nLIGHT使用6个emitter输出约40W的光功率,并将它耦合进入一根芯径仅为100祄、NA为0.22的光纤中去,对应的亮度已经超过 5.5mW/cm2 *球面度。这是一个极具竞争力的亮度值。在完成输出高亮度激光的同时,nLIGHT并没有牺牲应有的转换效率。该高亮度激光系统在工作条件下的电光转换效率超过45%,如图3所示。

图3. (左)Pearl模块把超过40W的光功率耦合到芯径为100祄、NA为0.22的光纤中,在40W功率时效率接近50%,模块的亮度大约是 5.5mW/cm2*球面度,外形尺寸为96.5mm 50mm 19.5mm,输出波长为976nm。(右)高效Pearl模块功率超过100W时系统的效率大于55%,耦合到芯径为400祄的光纤中,输出波长为 940nm。

在用户需要更高转换效率的激光应用场合,nLIGHT把16个emitter产生的超过100W的光功率耦合到芯径为400祄、NA为0.22 的多模光纤中去。在光纤输出端的测量结果表明,产品峰值电光效率能大于60%,典型转换效率大于59%。相信这是迄今为止已有的转换效率最高的一个高功率、高亮度光纤耦合系统,见图3。

总之,nLIGHT公司基于emitter结构的激光器产品,外形小巧紧凑,具有十分突出的输出功率和亮度。该产品能够提供前所未有的高转换效率(在众多波长下的转换效率值都超过50%)。此外,此产品具有极高的输出亮度,亮度值超过5.5 mW/cm2 *球面度。

参考文献:

1. S. Patterson, et al.3是完全改变基体材料, DEPS 20th SSDLTR, (2007).

2. P. Leisher, et al., Proc. SPIE, vol. 6952, (2008).(end)

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