高亮度半导体激光系统中光学元件的自动组装技术

刘学东，辛宇波，李洋，范杰

（1.长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室，长春 130022；2.吉林大学中日联谊医院，长春 130031）

近年来，由于半导体激光相对于其他激光器系统具有高功率密度、高亮度，高转化效率、小型化易集成等特点，在激光加工、光谱分析、医疗，国防等领域的获得了广泛的应用。图1为半导体激光器相对于CO2激光器、Nd：YAG激光器、光纤激光器在光电转化效率和使用寿命方面的比较。并且，随着半导体激光技术的发展，多家研究机构在半导体激光器单元器件方面取得了许多进展。如费迪南德-布劳恩研究所研制的条宽96μm单管器件输出功率高达为24.6w［1］、较高的光电转换效率（大于70%）［2-3］、巴条激光器连续输出功率已达到1000w以上，在连续高功率条件下使用寿命大于10000小时［4］。

图1 半导体激光器与CO2激光器、Nd：YAG激光器、光纤激光器比较

目前，高亮度光纤耦合半导体激光器系统，无论作为工业加工的直接光源还是作为光纤激光器、盘型激光器等固体激光器泵浦源，其内部集成的单元发射元件主要为单管半导体激光器和短阵列半导体激光器。虽然单个半导体激光器在很多方面都有突破，但是其光束质量和激光功率并没有满足材料加工和科研等领域的要求，为了进一步拓展半导体激光应用，提出了许多光束整形和光束合束的技术。在提高光束质量方面，采用阶梯排列的方式在快轴方向叠加以得到光束质量均匀的矩形光斑［5］，利用离轴非球面反射光学系统以获得均匀的出射光束［6］，还有用于巴条迭阵激光器光束转换的光束切割，重排等的光学元件［7］。在提高输出功率方面，经常采用空间合束、偏振合束、波长合束技术，对多个子光束进行引导合并，进而耦合进相应多模光纤内部。表1为国际上9xxnm波段高亮度光纤耦合半导体激光器泵浦源的发展情况［8-14］。

目前国内的主要的研究单位有中科院长春光机所、中科院北京半导体所、中科院光电技术研究所、中国电子科技集团公司13所、44所、北京开普林公司、西安炬光科技、长春新产业、北京工业大学、长春理工大学等单位。2012年中国科学院长春光学精密机械与物理研究院采用串联耦合多单管方法，将24只8W、808nm单管LD，通过空间合束、偏振合束，扩束聚焦到300μm，NA0.22光纤内。输出功率为162W，耦合效率84%［15］。2014年北京凯普林研制的9xxnm光纤激光器泵浦源把芯片发出的光通过微光学元器件聚焦到200μm/0.22NA光纤中，输出功率为200W，光电转换效率为48%。

1 高亮度半导体激光器自动装配技术

高亮度半导体激光器光纤耦合技术的难点在于组装的高精度，模块的高生产率和光学系统的简单化设计。

随着耦合光纤出射功率的不断提高，器件整体所需的半导体激光器数量和内部光学元件数量将会成比例增加，同时对准直精度的要求也会相应更高。例如，2012年，美国Fraunhofer激光技术中心研制的输出功率＞700W的高亮度半导体激光模块，采用空间合束和偏振合束技术将120个单管半导体激光器快慢轴准直后，聚焦耦合进200μm，0.2NA的光线内部，获得85%的光束填充因子。同时，为了充分体现单管器件相对于巴条激光器在亮度方面的优越性，所有LD的指向性误差和准直误差均不能超过光斑尺寸的10%［16］。如图2所示，图2（a）是远场分布，图2（b）是近场分布。

图2 聚焦光斑打的远场和近场分布

一般来说，无论是对于基于多单管光纤耦合模块还是对于基于巴条光纤耦合模块，快轴准直透镜（FAC）作为半导体激光系统的第一组准直微透镜，相对于其它准直微透镜，由于其具有较短的有效焦距和较小的数值孔径，需要更高的组装精度。因此，一组准直光路中快轴准直透镜的校准对耦合光束的光束质量具有很大的影响。根据快轴准直透镜的不同机械结构其定位精度在应亚微米级（100nm～1.0μm）范围内。

表1 国际上9xxnm波段高亮度光纤耦合半导体激光器泵浦源的发展情况

针对于以上情况，国外一些研究机构依据物理光学原理和准直算法，开发了用于众多光学元件组装的自动或半自动仪器。国内未见相关的报道和产品。2011年，瑞士电子学和微电子科技中心（CSEM）和奥兰若（Oclaro）公司联合报到一套针对于高功率半导体激光模块的半自动组装设备。如图3所示为设备的部分图示。在各光学元件定位过程中，操作人员在集成为一体的视觉系统和温度、功率等传感器的协助下观察光束截面的成像效果，通过模拟控制可获得200nm/2μrad的高精度定位。需要在多维空间同时操作时，该设备通过一组群算法（swarm algorithm）可全自动运作以在多维解空间中找到最佳的优化值［17］。

图3 部分组装设备示意图

2014年，弗劳恩霍夫激光技术研究所（fraunhofer institute for laser technology）基于标量衍射原理和傅里叶光学理论，通过分析快轴准直透镜各方向位移量和变化后巴条的近远场光强分布的关系，提出了一种适合于快轴准直透镜的对准算法，并对其进行了实验验证。图4为其演示系统。D1、D2分别为近远场成像光路，T1、T2、T3、G1、G2、R1为6轴调节系统。通过实验验证，该演示系统可获得0.8μm/0.01°的准直精度，平均每个微透镜准直所用时间为20～25s［18］。

图4 快轴透镜自动校准演示系统

2 多级密集频谱技术

通常，实现高功率半导体激光的输出是通过巴条激光器在空间的几何叠加，但由于该单元器件快慢轴方向填充因子的限制，导致了较差的光束质量和光束亮度。相对巴条激光器，由于单管器件具有较高的功率密度和光束亮度，结合多级密集频谱合束技术，可获得超高亮的光束输出。2014年，德国DirectPhotonics公司基于条宽95μm，慢轴光束质量4.5mm·mrad的单管半导体激光器，采用二级密集频谱合束技术，获得了光束质量7.5mm·mrad的2kW高亮度光束输出［19］，如图5所示。

图5 多级密集频谱合束示意图

并在作为整体系统的子模块中，采用空间合束技术，在快轴方向对准直光束叠加，将慢轴准直透镜和反射棱镜做了集成化处理，减少了系统机械结构尺寸。由于密集频谱合束技术对于谱宽的要求，利用体布拉格光栅（VBG）对合束后激光器整体进行稳频限制，并且在子模块中12只半导体激光器获得了谱宽0.3nm（FWHM），BPP=4.2mm·mrad的输出光束。在一级密集频谱合束中，相邻的子模块频率相隔4nm，并用光学薄膜滤波器对二者合束，效率为96%，通过4次合束后获得输出功率为500W，光束质量为4.5mm·mrad，频谱宽度为17nm。在二次密集光谱合束中，采用相同技术对上述4个500W模块进行光谱合束，在保持光束质量不变的同时，输出功提高到了2kW，谱宽为90nm。2014年，弗劳恩霍夫激光技术研究所采用针对于高功率半导体激光的高密度波分多路复用合束器，可将相邻频谱间隔缩减到1.5nm［20］，为多级频谱合束技术提供了更高发展空间。

德国Laserline公司利用标准二极管堆栈的9xxnm光束经整形后聚焦到由XLMA活性光纤和两个反射腔镜组成的光纤激光器谐振腔内部，而非通常情况下的传输光纤［21］。通过转换技术，可将光束质量100mm·mrad高功率激光束高效率（6kW输出功率时转换效率为65%）转换为光束质量＜5mm·mrad的高功率高亮度激光束，最后耦合到相应传输光纤内波长为1050～1100nm。在实验中通过芯径100μm的传输光纤可得到功率4kW，光束质量4mm·mrad的激光束。经过该方案优化过光束质量的LDF系列半导体激光器可获得输出功率4kW、8mm·mrad光束质量的高亮度光束输出，整体光电转换效率为＞25%。整体结构图如图6所示。

图6 Laserline LDF系列半导体激光系统整体结构图

3 结论

半导体激光技术的日渐成熟，拓展了高功率亮度半导体激光系统的应用维度。针对于商业生产和科研的自动或半自动组装技术，进一步提高了高亮度耦合系统生产效率和生产成本，同时其自身所具有的高精度调试使得激光单元器件的优势充分利用。许多新型光束自动组装技术和方案的实施，使得千瓦级的输出成为现实，并兼具10mm·mrad的光束质量。以上内容的总结，为今后的深入研究提供了技术支持。

［1］Crump P，Blume G，Paschke K，et al.20W continuous wave reliable operation of 980nm broad-area single emitter diode lasers with an aperture of 96μm［C］.Proc SPIE，2009：719814-719814-9.

［2］Kanskar M，Earles T，Goodnough T J，et al.73%CW power conversion efficiency at 50 W from 970 nm diode laser bars［J］.Electronics Letters，2005，41（5）：245-247.

［3］Crump P，Dong W，Grimshaw M，et al.100-W+diode laser bars show＞71%power conversion from 790-nm to 1000-nm and have clear route to＞85%［C］.Lasers and Applications in Science and Engineering.International Society for Optics and Photonics，2007：64560M-64560M-11.

［4］Wang L，Tong C，Peng H，et al.High power semiconductor laser beam combining technology and its applications［C］.2nd InternationalSymposium on Laser Interaction with Matter（LIMIS 2012）.International Society for Optics and Photonics，2013.

［5］Karlsen S R，Price R K，Reynolds M，et al.100-W 105-μm 0.15 NA fiber coupled laser diode module［C］.SPIE LASE.International Society for Optics and Photonics，2009.

［6］Serkan M，Kirkici H，Cetinkaya H.Off-axis mirror based optical system design for circularization，collimation，and expansion of elliptical laser beams［J］.Applied optics，2007，46（22）：5489-5499.

［7］Shan X，Zhang J，Peng H，et al.KW-output high beam quality diode laser array source［C］.2012 International Conference on，Optoelectronics and Microelectronics，IEEE，2012.

［8］QiuX，DaiYZ，AuM，etal.A highpower high-brightness multi- single- emitter laser pump platform［C］.SPIE LASE：Lasers and Applications in Science and Engineering.InternationalSociety for Optics and Photonics，2009.

［9］Duesterberg R，Xu L，Skidmore J A，et al.100W high-brightness multi- emitter laser pump［C］.SPIE LASE.International Society for Optics and Photonics，2011：79180V-79180V-8.

［10］Zucker E，Zou D，Zavala L，et al.Advancements in laser diode chip and packaging technologies for application in kW-class fiberlaserpumping［C］.SPIE LASE.International Society for Optics and Photonics，2014：896507-896507-14.

［11］Heinemann S，Lewis B，Sczepansky S，etal.High-brightness frequency-stabilized diode laser at 1530nm［C］.SPIE Defense，Security，and Sensing.InternationalSociety for Optics and Photonics，2012：83810H-83810H-7.

［12］Hemenway D M，Urbanek W，Hoener K，et al.High-brightness，fiber-coupled pump modules in fiber laser applications［C］.SPIE LASE.International Society for Optics and Photonics， 2014：89611V-89611V-12.

［13］Bayer A，Köhler B，Noeke A，et al.Scalable and modular diode laser architecture for fiber coupling that combines high-power，high-brightness，and low weight［C］.SPIE LASE.International Society for Optics and Photonics，2014：89650J-89650J-6.

［14］GapontsevV，MoshegovN，TrubenkoP，etal.High-brightness 975-nm pumps with ultra-stable wavelength stabilization［C］.SPIE LASE.InternationalSociety for Optics and Photonics，2012：82410O-82410O-9.

［15］朱洪波.大功率半导体激光器单管合束及光纤耦合的研究［D］.长春：长春光学精密机械与物理研究所，2012.

［16］Heinemann S，Lewis B，Michaelis K，et al.Very high brightness diode laser［C］.SPIE LASE.International Society for Optics and Photonics，2012：82410L-82410L-6.

［17］Pierer J，Lützelschwab M，Grossmann S，et al.Automated assembly processes of high power single emitterdiodelasersfor100W in 105 μm/NA 0.15 fiber module［C］.SPIE LASE.International Society for Optics and Photonics， 2011：79180I-79180I-8.

［18］Westphalen T，Hengesbach S，Holly C，et al.Automated alignment of fast-axis collimator lenses for high-power diode laser bars［C］.SPIE LASE.International Society for Optics and Photonics，2014：89650V-89650V-6.

［19］Fritsche H，Koch R，Kruschke B，et al.Generating ahigh brightnessmulti-kilowattlaserby dense spectral combination of VBG stabilized single emitter laser diodes［C］.SPIE Photonics Europe.International Society for Optics and Photonics，2014：91340U-91340U-7.

［20］Hengesbach S，Holly C，Krauch N，et al.High-power dense wavelength division multiplexing（HP-DWDM）of frequency stabilized 9xx diode laser bars with a channel spacing of 1.5 nm［C］.SPIE LASE.International Society for Optics and Photonics，2014：89650C-89650C-9.

［21］Bachert C，Rehmann G，Luft A，et al.Fiber lasers based on beam quality converters for diode lasers［C］.SPIE LASE.International Society for Optics and Photonics，2013：86030A-86030A-9.