CN103326237A - 光束质量对称的高功率半导体激光器二维堆栈设计方法 - Google Patents

Abstract

一种光束质量对称的高功率半导体激光器二维堆栈设计方法，所述二维堆栈是由n个巴条在快轴方向上平行封装而成，每个巴条含有m个半导体激光单元，n、m均为≥1的自然数，在去死区后，根据激光器的目标光束积参数来决定所需的巴条的数目n和每个巴条含有半导体激光单元的数目m以使得半导体激光器二维堆栈的慢轴方向上的光束质量和二维堆栈的快轴方向上的光束质量大约相当，即光束质量在两个方向上直接是对称的，不再需要整形光学系统。依据本发明的设计方法，可以直接得到光束质量对称的、高光束质量的大功率半导体激光器，在进行光纤耦合或聚焦时，将不再需要复杂的光学整形系统，直接使用简单的聚焦光学即可，使得整个系统变得简单、高效。

Description

光束质量对称的高功率半导体激光器二维堆栈设计方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，具体是一种光束质量对称的高功率半导体激光器二维堆栈设计方法。

背景技术

大功率半导体激光器由于其体积小、效率高、寿命长等优点，在加工、医疗、军事等各个领域得到了广泛的应用。尤其是，高亮度的千瓦级半导体激光器已经显现出取代千瓦级光纤激光器和CO₂激光器进行金属材料的焊接。更高亮度的半导体激光器可以直接用于材料的切割。

目前，围绕着得到光亮度、高功率的光纤激光器，基于偏振耦合和波长耦合，国内外发展出了多种耦合合束技术。例如申请号为201010597864.8的中国发明专利中，提供了使用双波长耦合然后偏振耦合实现四个半导体激光阵列合束的方法。申请号为200910207824.5的中国发明专利中提供了一种多单管光束空间平行排布的光纤耦合方法。申请号为200810051211.2的中国发明专利中提出了通过偏振耦合和波长耦合实现四个半导体激光器的合束。申请号为201010174581.2的中国发明专利中提供了一种基于同一波长的不同偏振态结合空间平行排列实现多个单管激光器的光纤耦合结构。很显然，上述提到的或类似的发明中，所使用的都是多个单管或多个半导体激光列阵的耦合和合束，因此最终得到的激光功率和光束质量取决于所使用的半导体激光单元的激光功率和光束质量。

如何得到高功率、高光束质量的半导体激光单元方面，目前的通用方法是基于半导体激光一维巴条(diode laser bar)，结合光学整形技术(beam-shaping)或称为光束重排技术(beam re-arrangement)，得到光束质量对称的激光输出。这种方法的功率受限于单个巴条的功率，一般只有数十瓦。另一种方法是类似于申请号为200910207824.5的发明专利和200310118154.2的发明专利，即使用多个单管进行空间平行排布然后聚焦耦合。这种方法的功率受限于可排布的单管数目，一般也只有数十瓦。

得到千瓦级激光输出，最便捷的方式是多个一维巴条在另一个方向上并列封装，及所谓的二维堆栈(Stack)。典型的巴条结构和发光特性如图1所示。巴条是由多个间距500μm的边沿发射的半导体激光单元11组成的，目前商用的基本是小于10mm的排布。每个半导体激光单元11在慢轴方向上(平行于p-n节的方向)的发光长度为150μm，发散角全角为10°。相邻的发光单元之间不发光的区域称为暗区或死区(Dead area)12，图1中死区12长度为350μm。快轴方向(垂直于p-n节的方向)的发光宽度为1～2μm，发散角全角为40°，光束质量为衍射极限。

图2是一个典型的二维堆栈的结构示意图。每个巴条之间的间距为d＝1.7-1.8mm(图中所示为1.7mm)，因此在此方向上的死区距离也是约1.7-1.8mm。可见，对于典型的巴条和堆栈，快轴和慢轴方向上的光束质量差异很大，且死区的存在极大地恶化了光束质量。因此，无法用常规的成像光学来得到高光束质量、高功率的激光输出。

光束质量常常用M²因子来表征：

$M^2=\frac{\mathrm{\π\ω\θ}}{\mathrm{\λ}}=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{BPP}$

其中，λ为波长，ω为束腰，θ为发散角(半角)。BPP＝ωθ为光束积参数(beam parameter product)。可见，对于特定的波长，光束质量可以用光束积参数BPP来表征。

对于图1中显示的巴条中的单个半导体激光单元11，在慢轴方向上的BPP约为：

而具有衍射极限的光束质量的980nm的快轴的BPP为

${\mathrm{BPP}}_{980/\mathrm{fast}}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}}=\frac{0.98}{3.14}=0.312\mathrm{mmmrad}$

常用得到数百瓦以上高光束质量的半导体激光输出的思路有两种：一种是基于常规封装的二维堆栈，在快慢轴准(去除死区)之后，使用复杂的光学整形系统进行整形重排，使得快慢轴的光束质量对称。困难是所需的整形重排系统非常复杂，难以加工，且体积庞大、调节困难；另一种思路是使用多个独立的巴条，各自辅以整形重排系统，再进行合束。此体统依然存在器件过多、体积庞大、调节困难等弱点。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的有关高功率高光束质量的半导体激光器的方案的缺陷，提供一种光束质量对称的高功率半导体激光器二维堆栈设计方法，在快慢轴准(去除死区)之后无需使用复杂的光学整形系统进行整形重排，可以通过简单的聚焦光学实现高亮度、大功率的光纤耦合输出，结构简单、加工容易。

一种光束质量对称的高功率半导体激光器二维堆栈设计方法，所述二维堆栈是由n个巴条在快轴方向上平行封装而成，每个巴条含有m个半导体激光单元，其中n、m均为≥1的自然数，在去死区后，根据激光器的目标光束积参数来决定所需的巴条的数目n和每个巴条含有半导体激光单元的数目m以使得半导体激光器二维堆栈的慢轴方向上的光束质量和二维堆栈的快轴方向上的光束质量大约相当，即光束质量在两个方向上直接是对称的，不再需要整形光学系统。

进一步地，巴条的数目n为激光器的目标光束积参数除以单个巴条的快轴的光束积参数再乘以快轴去死区效率，每个巴条所含的半导体激光单元的数目m为激光器的目标光束积参数除以单个半导体激光单元的慢轴的光束积参数再乘以慢轴去死区效率。

进一步地，快轴去死区采用快轴准直透镜或含多个快轴准直器的光学准直透镜阵列。

进一步地，快轴去死区采用采取非球面设计，且从每个快轴准直镜的出射的光束宽度尽量接近相邻巴条的间距以获得最小的发散角，从而得到最大的快轴去死区效率。

进一步地，慢轴去死区采用含多个慢轴准直器的光学准直透镜阵列。

进一步地，慢轴去死区采取非球面设计，且从每个慢轴准直镜的出射的光束宽度尽量接近相邻两个半导体激光单元之间的间距以获得最小的发散角，从而得到最大的慢轴去死区效率。

进一步地，也可以辅以其它的去死区装置达到有效去死区的目的，如梯形反射镜阵列，以得到最佳的去死区效果。

本发明所采用的快轴准直光学透镜阵列和慢轴准直光学透镜阵列也可以进一步集成为一片快慢轴准直透镜阵列。

依据本发明的设计方法，可以直接得到光束质量对称的、高光束质量的大功率半导体激光器，在进行光纤耦合或聚焦时，将不再需要复杂的光学整形系统，直接使用简单的聚焦光学即可，使得整个系统变得简单、高效。此激光器结合偏振耦合和波长耦合，可以很方便地得到高光束质量(例如25mm·mrad)的数千瓦级的激光输出，亦可方便地实现小芯径光纤输出。

附图说明

图1是常见的半导体激光一维巴条结构和发光特性示意图，其中单个半导体激光单元的慢轴发光长度为150μm，发散角全角为10°。半导体激光单元快轴方向的发光宽度为1-2μm，发散角全角为40°。相邻半导体发光单元的间距为500μm；

图2是常见的半导体激光二维堆栈的结构示意图；

图3是本发明的光束质量对称的高功率、高光束质量的半导体激光器二维堆栈结构示意图；

图4是快慢轴准直去死区光学系统的示意图，其中，图4(a)是平面图，图4(b)是立体图。

图中：10-巴条，11-半导体激光单元，12-死区，20-封装模块。

具体实施方式

下面将结合本发明中的具体实施例和附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提出一种光束质量对称的高功率、高光束质量的半导体激光器二维堆栈的设计方法，该二维堆栈是由n(n为≥1的自然数)个巴条10在快轴方向上平行封装而成。每个巴条10含有m(m为≥1的自然数)个半导体激光单元11组成。设计原则是：在去死区(deadarea)后，半导体激光器二维堆栈的慢轴方向上的光束质量和二维堆栈的快轴方向上的光束质量大约相当，在进行光纤耦合或聚焦时，将不再需要复杂的光学整形系统，直接使用简单的聚焦光学即可。

巴条10的数目n取决于激光器的目标光束质量和单个巴条10的快轴的光束质量以及巴条10之间的死区12的去死区效率，进一步地，所需巴条10的数目n为激光器的目标光束积参数(BPP_stack)除以单个巴条的快轴的光束积参数(VPP_fast)再乘以快轴去死区效率(η_fast)，即

$n=\mathrm{Int}\left[{\mathrm{\η}}_{\mathrm{fast}}\frac{{\mathrm{BPP}}_{\mathrm{stack}}}{{\mathrm{BPP}}_{\mathrm{fast}}}\right]$

每个巴条10所含的半导体激光单元11的数目m取决于激光器的目标光束质量和单个半导体激光单元慢轴的光束质量以及巴条的半导体激光单元之间的死区的去死区效率，进一步地，每个巴条10所含的半导体激光单元11的数目m为激光器的目标光束积参数(BPP_stack)除以单个半导体激光单元的慢轴的光束积参数(BPP_slow)再乘以慢轴去死区效率(η_slow)，即

$m=\mathrm{Int}\left[{\mathrm{\η}}_{\mathrm{slow}}\frac{{\mathrm{BPP}}_{\mathrm{stack}}}{{\mathrm{BPP}}_{\mathrm{slow}}}\right]$

在其中一个实施例中，如果其目标是设计出快慢轴方向的光束积参数(BPP_stack)不大于30mm·mrad的、波长980nm的500W半导体激光二维堆栈，则由图1所示的典型一维巴条结构图可知，单个半导体激光单元在快轴和慢轴方向上的光束积参数分别为：

${\mathrm{BPP}}_{\mathrm{fast}}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}}=\frac{0.98}{3.14}=0.312\mathrm{mmmrad}$

一般来说，使用如图4所示的常用的快慢轴准直阵列，快轴去死区的效率可达70％，慢轴去死区效率大于50％，即

η_fast＝70％

η_slow＝50％

因此，所需要的巴条数n为：

$n=\mathrm{Int}\left[{\mathrm{\η}}_{\mathrm{fast}}\frac{{\mathrm{BPP}}_{\mathrm{stack}}}{{\mathrm{BPP}}_{\mathrm{fast}}}\right]=\mathrm{Int}[70\%\×\frac{30\mathrm{mm}\·\mathrm{mrad}}{0.312\mathrm{mm}\·\mathrm{mrad}}]=67$  (条)

每个巴条所含的半导体激光单元数m为：

$m=\mathrm{Int}\left[{\mathrm{\η}}_{\mathrm{slow}}\frac{{\mathrm{BPP}}_{\mathrm{stack}}}{{\mathrm{BPP}}_{\mathrm{slow}}}\right]=\mathrm{Int}[50\%\×\frac{30\mathrm{mm}\·\mathrm{mrad}}{6.54\mathrm{mm}\·\mathrm{mrad}}]=2$  (个)

因此，可以得到如图3所示的结构设计，即使用67个相距1.8mm的一维巴条10，每个巴条10含有2个发光长度为150μm、间距500μm的半导体激光单元11，结合常规的、非球面设计的快慢轴准直去死区阵列，即可得到快慢轴的光束积参数都不大于30mm·mrad的半导体激光二维堆栈。

常见的上述的单个半导体激光单元的发光功率P_s不小于4W，则此二维堆栈可输出的总激光功率为：

P＝mnP_s＝67×2×4＝536W

可见，按照本发明的设计方法，可以方便地设计出光束积参数不大于30mm·mrad的、波长980nm的500W半导体激光二维堆栈。使用简单的聚焦系统，就可以实现芯径300μm、数值孔径0.22的光纤输出。结合波长耦合和偏振耦合，可以方便地实现数千瓦的300μm的光纤输出。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种光束质量对称的高功率半导体激光器二维堆栈设计方法，所述二维堆栈是由n个巴条在快轴方向上平行封装而成，每个巴条含有m个半导体激光单元，其中n、m均为≥1的自然数，其特征在于：在去死区后，根据激光器的目标光束积参数来决定所需的巴条的数目n和每个巴条含有半导体激光单元的数目m，以使得半导体激光器二维堆栈的慢轴方向上的光束质量和二维堆栈的快轴方向上的光束质量大约相当，即光束质量在两个方向上直接是对称的，不再需要整形光学系统。

2.如权利要求1所述的光束质量对称的高功率半导体激光器二维堆栈设计方法，其特征在于：巴条的数目n为激光器的目标光束积参数除以单个巴条的快轴的光束积参数再乘以快轴去死区效率，每个巴条所含的半导体激光单元的数目m为激光器的目标光束积参数除以单个半导体激光单元的慢轴的光束积参数再乘以慢轴去死区效率。

3.如权利要求1所述的光束质量对称的高功率半导体激光器二维堆栈设计方法，其特征在于：快轴去死区采用快轴准直透镜或含多个快轴准直器的光学准直透镜阵列。

4.如权利要求3所述的光束质量对称的高功率半导体激光器二维堆栈设计方法，其特征在于：快轴去死区采用采取非球面设计，且从每个快轴准直镜的出射的光束宽度尽量接近相邻巴条的间距以获得最小的发散角，从而得到最大的快轴去死区效率。

5.如权利要求1所述的光束质量对称的高功率半导体激光器二维堆栈设计方法，其特征在于：慢轴去死区采用含多个慢轴准直器的光学准直透镜阵列。

6.如权利要求5所述的光束质量对称的高功率半导体激光器二维堆栈设计方法，其特征在于：慢轴去死区采取非球面设计，且从每个慢轴准直镜的出射的光束宽度尽量接近相邻两个半导体激光单元之间的间距以获得最小的发散角，从而得到最大的慢轴去死区效率。

7.根据权利要求3-6中任一权利要求所述的光束质量对称的高功率半导体激光器二维堆栈设计方法，其特征在于：去死区时可以辅以梯形反射镜阵列，以得到最佳的去死区效果。

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