高功率、高亮度半导体激光器光纤耦合分析

高功率、高亮度半导体激光器光纤耦合分析

岳鹏远

长春理工大学

摘要：在宽条型半导体激光器光束特性的理论基础上，从光学设计、散热设计、结构设计等三个维度分析了915nm半导体激光器的光纤耦合情况，并提出了一种适用的光束质量评价方法；通过采用3支输出功率为12W的单管激光器得到耦合输出功率为33.7W，耦合效率达到93.62%，亮度达到18.85MW/cm2 -str。在此基础上通过ANSYS进行热分析，计算结果显示新热沉结构最高温度为35.67摄氏度，该结构具有良好的散热特性。

关键词：激光耦合；数值分析；ANSYS；热分析

1 引言

近年来高功率半导体激光器因体积小，功耗低，转换率高等特点，在光纤通信，泵浦固体激光器及光纤激光器、材料加工、激光医疗等方面都有重要应用。半导体泵浦固体激光器市场化水平已经达到数百瓦，实验室水平已经达到千瓦级。在应用上，大功率半导体泵浦固体激光器以材料加工为主，包括了常规的激光加工，主要是材料加工，比如激光标记、激光焊接、激光切割和打孔等，结构紧凑、性能良好、工作可靠的大功率半导体泵浦固体激光打标机产品系列已经在国内得到了规模应用。

由于目前激光的广泛应用，国内外学者开展了不少激光耦合器研究的工作，2010年，美国的相干公司^[1]将先进的微光学透镜技术与半导体激光器结合起来耦合出了高效、可靠的光源，采用600um的光纤获得了1000W的连续输出975nm半导体激光能量，转换效率高达30%；2014年在中物院^[2]研究人员的努力下，成功实现了耦合进入光纤直径为200um，数值孔径为NA 0.22的多模块光纤稳定输出功率达到280 W，电光转换效率为45%；2015年LIMO公司^[3]推出可以用于直接金属切割，材料处理的W级激光发射器，将其直接应用于实际；2020年中国科学院大学的郑锦坤^[4]围绕高功率光纤耦合器、四波混频与受激拉曼散射效应、以及高功率光纤激光系统技术开展了理论和实验研究工作。

本文从光学设计、散热设计、结构设计等三个维度分析了915nm半导体激光器的光纤耦合情况，并提出了一种适用的光束质量评价方法，通过三维建模软件创建了耦合激光器的三维布置模型，并采用商用软件对三支单管激光器进行了热分析，研究成果为激光器的设计提供了可行方法和参考理论依据。

2 光学设计

LD辐射的激光远距离传输后光斑呈不规则分布，可以分为快轴和慢轴，快轴激光的发散角大于慢轴光束发散角。这是由于发光面在快轴上尺寸较小导致的。远场光束长轴发反射角一般为15°到40°，短轴发射角为6°到12°。长、短轴分布不均匀的特性造成LD光束面为椭圆型，类似于高斯分布。如图2.1所示

图2.1 输出光束示意图

光束的场分布表示为(2.1)，在传播方向上可表示为(2.2)，由两公式可得到激光远场的场分布。

（2.1）

（2.2）

上述公式中，xz=0平面为激光发光面，x=0为有源区中心，该公式以此为坐标轴。

半导体激光器的输出功率由下式:

（2.3）

半导体激光器的各个参数间的关系可以由式(2.4 )进行表示:

（2.4）

其中各参数代表的物理含义为:P_p输出功率、η_c电光转换效率、η_i内量子效率、I_p注入电流、U_p电压、I_th阂值电流、V_d正向导通电压、R_s串联电阻、α_i内部损耗、α_m镜面损耗。

由上式可知，电光效率ηc主要由以下四个因素决定：

（1）内量子效率：电光转换效率与内量子效率成正比，随着内量子效率的增大而增大。

（2）阈值电流：电光转换效率与阈值电流成正比，随着阈值电流的增大而增大。

3. 激光器导通电压、波长、串联电阻：电光效率与导通电压成反比关系，与串联电阻成反比关系，与波长成正比关系。

4. 镜面损耗及内部损耗：电光效率会随着内部损耗的增加而减小，随着镜面损耗的增加而增大。

采用的激光光源包括多个半导体激光叠阵模块，由多只输出为12W的mini-bar半导体激光器组成，每个发光单元的发光尺寸为90μm（慢轴方向）×1.5μm（快轴方向），慢轴发散角为8°，快轴发散角为35°，发光单元周期为1mm。

图2 单束激光器示意图

高功率和高亮度能决定了光纤激光器的输出功率，所以要求所设计的模块同时具有很高能量输出和亮度，这样才能提高光纤激光器的输出功率，通常选用输出功率较大的半导体二极管作为耦合光源。结合文献调研结果，选用光纤直径30μm，数值孔径0.22的光纤。

最后将本文仿真结果与所调研文献结果进行对比验证，优化改进，完成915nm半导体激光器光纤耦合。

单支光斑直径通过测量可以看到快轴准值为0.2mm，慢轴准值为0.8mm，通过三支光束耦合得到亮度和输出功率更大的光束，经过叠加后，光斑体现出圆形特征，直径为1.5mm，亮度为18.85MW/cm2 -str，该平面距离激光发射器水平距离为100mm后的光斑情况，其中亮度是通过数值仿真计算得到结果，如下所示。

图3 耦合光束光斑尺寸

3 模块热应力分析

在上述设计激光器的光学设计基础上，采用有限元分析对内部的温度分布和应力应变进行分析，计算结果如下所示：

图4 激光器散热分析

如上图中所示：从图中看到温度分布主要位于激光器核心部分，其余固定装置由于热表面的散热，相对于高温区域比较低，最高温度为35.64摄氏度。

图5 激光器应力应变分析

上图为发射器装置的应力应变分布规律，从图中可以看到，由于装置中存在温度不均匀，造成了内部的应力应变，最大应变出现在高温区域，为0.00297mm，最大应力分布在高温区与低温区的交接附近，数值为42.089MPa。

综上所述，从温度分布及应力应变分布可以得到，结合所选用激光器的固体材料屈服应力大小，数值分析计算得到的最大应力值是远远小于所选用材料的屈服应力，因此认为所设计的光纤耦合发射器是满足热力学性能的，能为持续稳定工作提供支撑。

4 结论

本文在宽条型半导体激光器光束特性的理论基础上，从光学设计、散热设计、结构设计等三个维度分析了915nm半导体激光器的光纤耦合情况，并提出了一种适用的光束质量评价方法；通过采用3支输出功率为12W的单管激光器得到耦合输出功率为33.7W，耦合效率达到93.62%，亮度达到18.85MW/cm2 -str。在此基础上通过ANSYS进行热分析，计算结果显示新热沉结构最高温度为35.67摄氏度，该结构具有良好的散热特性。

[1]Chuang S L, Peyghambarian N, Koch S. Physics of Optoelectronic Devices[M]// Physics of optoelectronic devices. Wiley, 2010:62.

[2]夏良平. 基于金属纳米结构的纳光子器件研究[D].中国科学院研究生院（光电技术研究所）,2014.

[3]Tsai C Y, Tsai C Y, Chen C H, et al. Theoretical model for intravalley and intervalley free-carrier absorption in semiconductor lasers: Beyond the classical Drude model[J]. IEEE journal of quantum electronics, 2015 34(3): 552-559.

[4]郑锦坤. 高功率光纤激光器关键器件及其系统技术研究[D].中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所),2019.