基于单发光区芯片的大功率光纤耦合激光器的输出远场特征分析

夏晓宇，高 欣，许留洋，曹曦文，乔忠良，王宪涛，薄报学

(长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室，吉林长春 130022)

基于单发光区芯片的大功率光纤耦合激光器的输出远场特征分析

夏晓宇，高 欣，许留洋，曹曦文，乔忠良，王宪涛，薄报学∗

(长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室，吉林长春 130022)

为研究光纤耦合激光器的输出远场特征，基于ZEMAX光学设计软件，模拟了基于单发光区激光器芯片的多种光纤耦合结构，分析了不同耦合结构的输出远场特征。模拟结果表明:单管耦合输出远场分布通常为中间亮、边缘暗的圆形光斑。当准直后的光束快慢轴光束尺寸基本一致时，远场输出光斑均匀性会得到极大改善；当存在光纤轴心角向误差(大于1°)时，远场输出光斑的均匀性会明显降低。多单管耦合时，单管之间的台阶高度若大于准直后的快轴光斑尺寸，则对应的远场输出为有暗区的同心圆环，单管的数量对应圆环的数量。为了提高输出远场分布的均匀度，应严格控制合束单管之间的台阶高度。

单发光区激光器；ZEMAX；光纤耦合；远场特性

1 引 言

近年来，大功率半导体激光器在激光材料加工、泵浦光纤激光器和固体激光器、军事应用等领域得到了广泛的应用[1]。与激光bar条和叠阵相比，单管半导体激光器具有光束亮度大、体积小、可靠性高、温度可控性好的优点[2]，但是其输出功率低，不能满足大功率激光输出的应用要求，所以需要将多个单管激光器的输出光束耦合进光纤中以提高输出功率[3]。光纤耦合作为大功率半导体激光输出的重要方式，具有输出光斑均匀性好、亮度大、柔性传输等优点，在高功率固体/光纤激光器泵浦、激光切割/焊接加工等方面有广泛的应用[4]。

在光纤耦合设计中，通常希望耦合后输出光束的能量均匀地集中于一个圆形区域中，也就是输出一个均匀的圆形光斑[5-6]，但在实际的耦合过程中，耦合光源的数量、合束光束之间的间隔、轴向分布等多种因素都会影响耦合输出光束的能量分布。本文利用ZEMAX光学设计软件[7-9]对不同的单发光区半导体激光器阵列结构进行高亮度光纤耦合设计，并分析其输出远场特征，研究了各种因素对远场分布的影响。

2 基于单发光区半导体激光器的光纤耦合原理

激光光束质量通常由光参数积(Beam parameter product，BPP)描述，KBPP定义为光斑半径和发散半角的乘积[10]，即

式中，d为光斑直径，单位为mm，θ为发散角，单位为mrad。本文采用单元激光器的发光区尺寸为1 μm(快轴)×100 μm(慢轴)，发散角为50° (快轴)×10°(慢轴)，所以快慢轴的光束质量分别为

由此看出，半导体激光器快慢轴光束质量相差很多，快轴BPP远小于慢轴BPP。为实现高功率激光光纤耦合，可在快轴方向进行光束叠加[11]，在近平衡快慢轴光束质量的前提下获得数倍于单元激光器功率的高亮度光纤耦合输出。基于半导体单发光区激光器的激光合束主要有阶梯热沉排列和阶梯反射镜排列两种方式[12]，本文采用阶梯反射镜法对单发光区半导体激光器进行合束及光纤耦合设计。

图1 基于阶梯反射镜法的单管半导体激光器光纤耦合结构Fig.1 Fiber coupling structure of the single emitted semiconductor diode lasers based on step mirror method

宽条形的半导体激光器快轴方向的发散角较大，不能直接用于合束或光纤耦合。我们首先对快轴光束进行准直。准直镜采用非球面柱透镜，有效焦距为0.45 mm。准直后的快轴发散半角为1.05 mrad，光斑半高度为0.22 mm。我们对慢轴光束也进行了准直设计。由于慢轴的发散角较小且BPP较大，所以采用球面柱透镜进行准直，有效焦距为6.5 mm。准直后的慢轴方向发散半角为7.875 mrad，光斑半高度为0.58 mm。图1为基于单发光区半导体激光器的阶梯反射镜合束光纤耦合典型结构。单元激光器在慢轴方向上按等间距排列，在快轴方向上按一定的台阶高度排列。准直后的光束经过阶梯面反射镜，在快轴方向上叠加实现空间合束，再由聚焦透镜会聚并耦合进光纤中。

3 单发光区半导体激光器光纤耦合的输出远场特征

3.1 单管耦合的输出远场特征

利用ZEMAX光学设计软件对单管半导体激光器进行光纤耦合设计。在常规情况下，其输出远场分布级照度曲线如图2(a)所示。光纤对光束有整形作用，整形后的输出光束为圆形分布，所以单管半导体激光器的光纤耦合远场输出为圆斑。因为聚焦光斑能量向中心会聚，导致圆斑中心较亮，边缘较暗，对应的照度分布曲线的中间部分照度值较大。在常规情况下，单光源准直后的快轴尺寸远小于慢轴尺寸，慢轴尺寸约为快轴尺寸的6倍，所以需要将快轴尺寸扩大6倍，再将光束耦合进光纤中，得到的远场分布如图2(b)所示。可以看出，使快慢轴光斑尺寸平衡可使耦合输出的远场光斑均匀性明显改善。

图2 理想情况下单管激光器光纤耦合输出的远场分布。(a)常规非对称整形；(b)快慢轴光斑尺寸平衡。Fig.2 Far field distribution of fiber coupling output based on single emitted laser under ideal conditions.(a)Beam collimated asymmetrically.(b)Size of the collimation beam in the fast axis and slow axis is approximately the same.

图3 光纤倾斜时的耦合输出远场分布Fig.3 Far field distribution of fiber coupling output while the fiber tilted

实际的耦合结构会存在一定的光纤轴心角向偏差，即光纤轴向相对于系统光轴的倾斜。图3 (a)、(b)分别是光纤在光源慢轴方向相对于系统中心倾斜3°和10°时的远场光斑分布图和照度分布曲线，探测器距离光纤端面1 000 mm。相对于理想情况下的远场分布，此时的远场分布的中心亮度范围减小而边缘杂散光的范围变大，对应的照度分布曲线的中心照度值大并向外部递减。倾斜角越大，这种现象就越明显。图3(c)、(d)分别是光纤在光源快轴方向相对于系统中心倾斜3°和10°时的远场光斑分布图和照度分布曲线，探测器距离光纤端面1 000 mm。此时的远场分布呈中心有暗区的圆环分布，且倾斜角越大则中心暗区越大。可见，快轴方向上的光纤倾斜对耦合输出远场分布特征的影响较大，在实际的耦合结构中，需根据远场的设计要求控制光纤轴心角向偏移。

3.2 多单管耦合结构的远场特征

除了影响合束后的光束BPP值，合束单元之间的台阶高度差对耦合输出远场特征也有明显的影响。基于图1所示基本结构，我们模拟了3个单管合束，台阶高度分别为0.44，0.6，0.8 mm的远场分布图，如图4所示，上图是远场光斑，下图是相应的分布曲线。模拟中所用聚焦镜的焦距相同，探测器距离光纤端面的距离都为1 000 mm。

图4 台阶高度分别为0.44(a)，0.6(b)，0.8(c)mm时的输出远场分布。Fig.4 Far field distribution of output with the step height of 0.44(a)，0.6(b)，0.8(c)mm，respectively.

当台阶高度为0.44 mm(等于准直后快轴光斑高度)时，远场光斑分布为中心亮度稍高、外环亮度略有减小的同心圆环，照度均匀性较好。当台阶高度为0.6 mm和0.8 mm(大于准直后快轴光斑高度)时，远场光斑分布为带有暗区的同心圆环，亮区亮度也呈由内向外递减的规律。比较图(b)和图(c)的光斑图可以看出，台阶高度越大则暗区范围越大，光斑尺寸变大、发散角增加。对比3种台阶高度的照度分布曲线可以看出，台阶高度越大则照度均匀性越差。因为合束结构是使光斑在快轴方向叠加，当合束单元之间的台阶高度等于快轴准直后的光斑高度时，合束后的光斑之间没有空隙，聚焦镜的作用是使合束后的光线汇聚于一点，不改变成像物体的原有特征只是将成像物体缩小，聚焦光斑内部细节和聚焦前没有变化，也就是不存在空隙，所以经过光纤作用后输出的光斑也不存在暗区；当合束单元之间的台阶高度大于快轴准直光斑高度时，合束后的光斑之间存在空隙，所以聚焦后的光斑内部也存在空隙，经过光纤作用后输出的光斑就会存在暗区。

因此在实际的应用中，若要得到输出远场无暗区、照度分布均匀的光斑，需要使单管之间的台阶高度等于准直后的快轴光斑高度。

为了研究合束单管数量对耦合输出远场分布特性的影响，我们基于图1所示基本结构，分别设计了单管数为2，3，4，5个的耦合结构，各单管之间的台阶高度均设置为0.6 mm，模拟中各模块的中心对准光源中心。图5为其输出远场光斑分布图及相应的照度分布曲线。不同单管数量耦合时的聚焦镜焦距相同，探测器距离光纤端面的距离都为1 000 mm。

从图5中可以看出，当合束单管数量为偶数时，光纤耦合输出远场分布为空心的圆环，对应的照度曲线的中间照度值为0；当合束单管数量为奇数时，输出远场分布为实心的圆环，对应的照度曲线的中间照度值最大。这是由合束光束的中心位置决定的。若是偶数个单元合束，则合束中心能量为0，所以光纤耦合后的输出远场分布为空心圆斑，对应的中心照度值为0；若是奇数个单元合束，则合束中心能量不为0，所以光纤耦合后的输出远场分布为实心圆斑，对应的中心照度值为最大。

图5 2(a)，3(b)，4(c)，5(d)个单管耦合的远场分布图。Fig.5 Far field distribution of 2(a)，3(b)，4(c)，5(d)emitters coupling.

以上结果是在光源中心和各透镜的中心对齐情况下模拟得到的，在实际情况中，透镜中心相对于结构中心可能存在位移误差，所以本文模拟了聚焦镜中心与光纤中心对齐但二者相对于结构中心有位移误差时的输出远场特性，图6(a)、(b)、(c)、(d)是在两个单管快轴台阶高度为0.6 mm合束时，聚焦镜中心和光纤中心同时偏移合束中心分别为0，0.1，0.2，0.3 mm时的输出远场分布特性及相应的照度分布。聚焦镜的焦距相同，探测器距离光纤端面的距离都为1 000 mm。

从图6输出远场分布可以看出，透镜位移误差对输出远场分布特性具有明显的影响。在实验中，可以通过调节透镜的横向位置来调节输出远场分布均匀性。

图6 透镜存在位移误差时的输出远场分布，聚焦镜中心和光纤中心同时偏移合束中心分别为0(a)，0.1(b)，0.2(c)，0.3 mm(d)。Fig.6 Far field distribution of output while lens in the presence of displacement error of 0(a)，0.1(b)，0.2(c)，0.3 mm (d)，respectively.

4 结 论

本文基于单发光区芯片的半导体激光器设计了不同的光纤耦合结构，分析了各结构的输出远场分布特征。结果表明，影响光纤耦合激光器输出远场分布特征的因素主要为合束单元之间的台阶高度、合束单管数量以及安装误差。当准直后的光束快慢轴光束尺寸基本一致时，远场输出光斑均匀性得到极大改善(90%强度分布空间大于95%)；当存在光纤轴心角向误差(大于1°)时，远场输出光斑的均匀性会明显降低。多单管耦合时，单管之间的台阶高度若大于准直后的快轴光斑尺寸，则对应的远场输出为有暗区的同心圆环，单管的数量对应圆环的数量。为了提高输出远场分布的均匀度，应严格控制合束单管之间的台阶高度。

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夏晓宇(1992－)，女，内蒙古兴安盟人，硕士研究生，2014年于浙江师范大学获得学士学位，主要从事高功率半导激光器的研究。

E-mail:1193406006＠qq.com

薄报学(1964－)，男，河南淇县人，博士，教授，2002年于吉林大学获得博士学位，主要从事高功率半导体激光器技术与应用的研究。

E-mail:bbx＠cust.edu.ccn

《发光学报》第12届编委会纪要

2016年11月16日，《发光学报》编辑部借第十四届全国发光学学术会议召开之机，在上海举行了第12届编委会。本次编委会共有名誉主编范希武，主编申德振，编委王永生、江风益、尹民、郑海荣、徐春祥、吕有明、宋宏伟、单崇新、黎大兵等16人参加。

《发光学报》常务副主编付国柱首先向各位编委汇报了编辑部最近3年的主要工作、取得的成绩、存在的问题及以后的工作设想，然后与会的各位编委就如何进一步办好期刊展开了热烈的讨论。自2010年《发光学报》成为美国工程索引(EI)的源期刊以来，学术质量和来稿量逐年提升。编委们也对学报的发展给予了大力的支持，共有20余名编委为学报撰写了高水平的文章，为提升学报的学术水平和影响力做出了重大贡献。编委们纷纷表示，今后将一如既往地支持学报的发展，积极为学报提供并推荐高水平的文章，使学报的学术质量和评价指标不断提高。

黎大兵编委提出设置责任编委的建议，号召各位编委就自身的研究领域几人负责一个学科方向，不仅负责把握来稿的学术质量，向本领域的专家约稿，而且利用自身的影响力推广学报发表的文章，使学报的学术质量和评价指标得到较大幅度的提高。黎大兵编委身体力行，决定在2017年负责筹办1期半导体器件方面的专栏，并在专栏发表后的几年内在本领域大力推介这些文章，使文章的关注度、影响力远超平均水平。王永生编委提出要重视手机等新媒体对期刊的宣传作用，在期刊建设方面要有超前的眼光，在数字化和电子化方面要争取走在国内期刊的前列。

本次会议各位编委提出了许多建设性意见，为《发光学报》今后的发展指明了前进的方向。可以预见，在各位编委的大力支持下，《发光学报》一定会越办越好，学术地位和影响力不断得到提升。

付国柱

Output Far Field Characteristics of High Power Fiber Coupling Diode Lasers Based on Single Emitter Devices

XIA Xiao-yu，GAO Xin，XU Liu-yang，CAO Xi-wen，QIAO Zhong-liang，WANG Xian-tao，BO Bao-xue∗
(State Key Laboratory of High Power Semiconductor Laser，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China)∗Corresponding Author，E-mail:bbx＠cust.edu.cn

In order to study the output far field characteristics of optical fiber coupled laser diodes，several kinds of fiber coupling structures based on single emitting diode laser chip were simulated by ZEMAX optical design software，the analysis on the far field characteristics were conducted.The simulation results show that the far-field output distribution of a single emitter coupling structure is usually a circular spot with a brighter center and a weak light zone outside.When the size of the collimation beam in the fast axis and slow axis is approximately the same，the far field output uniformity improves greatly.When the angular error of optical fiber along the central axis is large(more than 1°)，the uniformity of the output far field spot reduces significantly.For multi-chip fiber coupling，if the step height between single emitters is greater than the size of the collimated beam in the fast axis，the output far field distribution is ring-like with dark zone，and the number of the emitters is corresponding to the number of rings.In order to improve the uniformity of the output far field distribution，the step height between the single emitters must be strictly controlled.

single emitting diode laser；ZEMAX；optical fiber coupling；far field characteristics

TP394.1；TH691.9

A

10.3788/fgxb20173802.0170

1000-7032(2017)02-0170-07

2016-08-02；

2016-10-24

国家自然科学基金(61176048，61177019，61308051)；吉林省科技发展计划(20150203007GX，20160203017GX)；中物院高能激光重点实验室基金(2014HEL01)资助项目Supported by National Natural Science Foundation of China(61176048，61177019，61308051)；Science and Technology Development Plan of Jilin Province(20150203007GX，20160203017GX)；Foundation of Key Laboratory of High Energy Laser of China Academy of Engineering Physics(2014HEL01)