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得以实现,特别是在光学亮度是关键性能指标的领域。光纤激光器的光纤耦合二极管泵浦是在商业、工业和国防应用中的一项关键技术。材料加工,曾经是光纤激光器的唯一领域,现在在某些方面可以通过光纤直接传输二极管激光束来解决。

二极管激光

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。

半导体晶体被有意地生长以使杂质进入晶格。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,另一边是被称为空穴的正载流子。在半导体激光器结构的中心附近有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态。载流子的量子化能态之间的能量差决定了二极管激光器的发射波长。对量子阱中的应变进行细致的工程设计,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一层介质,在一端提高反射率,在另一端降低反射率,确保大部分光线从激光器的一端射出。半导体的分裂产生了平面,在晶体/空气界面留下了悬浮的原子键,作为电载流子的复合位点,产生了热而不是光。在半导体激光器实现长寿命和高功率的过程中,facet一直是一个限制因素,因为载流子复合导致的灾难性光学损伤导致facet失效。近年来,由于处理和涂层技术的进步,最大可实现的功率迅速提高,可靠性也随之提高,现在可延长数万小时的使用寿命。图1描述了二极管激光器的二极管结构和光学腔。

图2。光学概念,将8根激光棒经过快速和慢轴准直后,从200um核心光纤在50A的输出功率总计300W,效率超过50%。
在垂直于二极管激光平面的平面上,半导体各层引入的光折射率变化引导有源区电子与空穴复合而产生的相干光场。这是一个罕见的,偶然的自然礼物,相同的半导体层引导激光光场也有限制电子的特点,在他们需要限制在二极管。由于光引导层非常薄,只有几微米的深度,并且受衍射限制,光场的这个轴发散得非常快,通常在90%功率的全宽范围内发散超过80度。因此,它被称为二极管的快轴。

平行于二极管的平面,光场要么是非常弱的光引导,要么仅仅由半导体的区域引导,那里有足够的注入电流来实现光学增益。金属化所定义的注入区域的宽度通常为50到200微米。给定这样一个广泛的,光学多模的轮廓,在这个方向发射的光远没有衍射限制,通常被称为设备的慢轴。在慢轴发散通常是10-15度全宽,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。为了达到最佳的准直效果,需要尽可能地填充透镜孔径,从而在每个透镜相邻的边缘造成散射损失。由于多模态和远高于衍射极限的光束,这些透镜只能实现10-15毫radians的残余发散,同时保持损失在控制范围内。其他的功率损失和亮度损失的来源是在光学界面和通过非理想的透镜形状。

光的光学质量的常用度量是M2。M2为1表示光束在该轴上是完美高斯分布。M2值的任何增加超过1意味着光束质量不断恶化。对于二极管激光器,快轴相当接近M2值1,但慢轴更接近10或更多的每个发射器。因此,我们希望将光束转换为这样一种形式:在慢轴方向上,一个轴保留单个光束的差M2,而在另一个轴上叠加光束,这样来自每个发射器的近理想快轴是加性的。最终的结果是一个更对称的光束质量轮廓,可以更容易地耦合到光纤。

图3。IS46,定制激光棒(t -棒)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,通过旋转发射光的一半的偏振,然后将其与发射光的另一半物理叠加,可以使用偏振复用使二极管激光阵列的亮度加倍。由于二极管激光器的偏振纯度通常为95%或更低,这种方法会导致一些功率损失,以换取增加的光学面积密度。必须仔细考虑这种技术的应用。

光纤

在其最简单的形式中,光纤是高折射率核心与低折射率包层的柔性圆柱形配对。光纤引导光线通过全内部反射。目前,典型的纤芯直径有100、200、400、800和1000微米,但对纤芯尺寸没有特别的限制,其他直径也很容易找到。

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。

由于二极管发出的光的几何形状,传输到光纤的光束在物理和NA空间中都是矩形的。由于在两个空间中光纤的几何形状都是圆柱形的,因此经常需要故意将光纤孔径的两个空间都填满,而NA的过度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生产的二极管激光模块可向200μm/0.22NA光纤的出口端输出300W,但重量仅约300克(图3),同时实现超过50%的电输入功率光输出功率(E-to-O)效率。二极管激光芯片引擎是一个定制的激光棒,或t -棒,最大限度地提高二极管激光的亮度。从生产线上生产出来的棒材的效率通常为65-70%。一个相对较长的二极管腔有助于散热,延长二极管寿命,并减少慢轴发散。发射极间距几乎热隔离一个发射极从另一个允许最佳功率产生,同时,这里再次延长二极管寿命和减少发散。

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-Bars被微透镜与快轴和慢轴镜头。随后的光学列车扩展光束,包括几个折叠镜子,以保持模块外壳比汤罐包围的体积更小。二极管安装和光学对准是在自动化机械上进行的,增加了吞吐量、重复性和成品率,同时降低了成本。IS46的光学性能如图4所示。

概括

理想的光纤耦合模块是一个单一的、100%有效的、光束质量完美的半导体激光器连接和耦合到光纤而不损失,而不需要任何中间光束组合或透镜操作。二极管激光器工程师们继续推动高功率、高亮度、高效率二极管激光器的发展,每年都让我们更接近理想的单发射器。

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正受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用JavaScript才能查看它。,或者访问http://info.hotims.com/55585-200


Photonics yabovip16.comTech Briefs杂志

本文首先出现在2015年1月份的问题Photonics技yabovip16.com术简报杂志。

阅读此问题的更多文章在这里

阅读更多的档案文章在这里