大功率半导体激光器单管合束及光纤耦合的研究

近年来大功率半导体激光器在激光材料加工、光纤激光器泵浦，激光再制造以及国防安全等领域广泛地应用，因此采用半导体激光合束技术研制高亮度、高功率输出半导体激光光源的研究成为了热点。以往采用的半导体激光叠阵由于光束质量差，bar条存在“smile”效应等原因，使其很难获得较细芯径的光纤输出，因此亮度较低。单管半导体激光器具有光束质量好，可靠性高，寿命长等优点，利用多只单管半导体激光器合束制成的光纤耦合模块可以获得较细芯径的光纤输出，很大程度上提高了光纤输出的亮度，因此具有重要的研究意义。本论文根据各种应用对光纤耦合模块的功率要求设计并研制出多种光纤芯径、多种功率输出的808nm单管合束半导体激光器光纤耦合模块，并针对光纤耦合模块的调试和散热情况进行了讨论。本文主要研究内容和成果如下：1.提出了一种新型单管合束内部排列结构，并获得发明专利一项。通过使用多个反射棱镜对其相对应的单管半导体激光器发出的光进行空间合束，通过反射棱镜及单管半导体激光器的适当排列，可以使合束后的光斑成近圆形分布，这样聚焦后的光斑呈圆形，与光纤端面形状相匹配，解决了光纤耦合过程中存在的填充比例小以及耦合效率低等问题。2.设计并研制出多种光纤芯径、多种功率级别的光纤耦合模块。首先通过微透镜对每个单管半导体激光器进行快慢轴准直，通过空间合束使准直后的光束在快轴叠加，再利用偏振合束技术对空间合束后的光束进行偏振合束，最后利用自行设计的扩束聚焦系统将合束后的光束进行扩束，聚焦进入光纤，极大地提高光纤耦合模块的亮度。其中芯径为105μm、NA0.2的光纤耦合模块输出功率15.22W，亮度超过1.4MW/cm2-str；芯径为300μm、NA0.2的光纤耦合模块输出功率162W，国内尚未见报道。3.采用光线追迹法对单管合束的装调误差进行了定量分析。利用光学设计软件的非序列模式模拟了单管合束装调过程中FAC、SAC的位置误差Δx、Δy、Δz、角度误差βx、βy、βz、光束扩束系统中的ΔL以及聚焦光束与光纤的失配对光路传播及耦合效率造成的影响并定量地给出了模拟结果，对今后单管合束的光路调试有一定的指导作用。4.设计了百瓦级全固态风冷、小型工程化半导体激光光源。结合强制风冷散热原理，通过对散热片的尺寸，热管位置，风扇转速的优化，设计并研制出百瓦级光纤耦合模块风冷散热器，通过对光纤耦合模块界面热阻的优化使得整个模块的热阻小于0.15℃/W，将风冷散热器用于160W单管合束光纤耦合模块的散热，通过对光纤耦合模块进行了频率红移测试，表明散热器的性能可靠，从而实现了百瓦级全固态风冷、小型化、工程化半导体激光光源，此结构申请发明专利一项。