（光学工程专业论文）大功率半导体激光光束特性及光纤耦合技术研究.pdf

k ， 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：型奄堡! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：塑垄垒!导师签名：日期：型! ! ：三： “ 声 摘要 摘要 半导体激光器体积小、效率高、寿命长、性能稳定，与传统固体和气体激光 器相比有很大优势。但是半导体激光器自身的光束质量差，限制了其在很多领域 的直接应用。掌握半导体激光器远场光分布及其光束传输特性，并对光束进行整 形，提高光束质量，将高光束质量大功率半导体激光进行光纤耦合输出，从而扩 展其应用范围，意义重大。 本文以促进大功率半导体激光器在激光材料加工领域的直接应用为背景，以 光纤耦合输出大功率半导体激光器为主要研究对象，以提高大功率半导体激光器 的输出功率和光束质量为目的，针对半导体激光阵列的发光单元多，整体光束质 量差，光纤耦合难度大的问题，采用平板玻璃堆光束整形的方法，提高半导体激 光阵列的光束质量，并耦合进光纤。 本文首先以半导体激光器波导结构为基础，采用厄米一高斯模型、超高斯理 论及傍轴光束传输理论，描述了大功率半导体激光器的光场分布及光束传输特 性。 本文对不同的激光光束质量评价参数进行了分析，对比了各自的优缺点、适 用范围及相互之间的关系。特别针对半导体激光一维阵列和二维阵列，给出了描 述其光束质量的表征方式。 本文从半导体激光的整形原理出发，介绍了不同的光束整形方法，设计了一 种能够有效改善半导体激光光束质量的平板玻璃堆光束整形方法，对这种方法进 行了理论分析和z e m a x 光学软件模拟。分别对阶梯反射镜整形方法和平板玻璃堆 整形方法进行了实验分析，证明了平板玻璃堆整形方法能够有效的改善半导体激 光阵列的光束质量。 本文最后对大功率半导体激光光纤耦合技术进行了理论和实验研究，根据光 纤耦合条件，整形后的半导体激光光束经过透镜准直、扩束、聚焦后可以耦合进 数值孔径为0 2 2 ，芯径为3 0 0 岬的光纤中；实验过程中，将整形聚焦后功率为 7 7 3 w 的半导体激光耦合进数值孔径0 2 2 ，芯径6 0 0 “m 的光纤中，输出功率为 6 6 4 w ，光纤耦合效率为8 5 9 ，功率波动范围在1 以内，实现了稳定的高光束 质量大功率半导体激光光纤耦合输出。 关键词：大功率半导体激光器；光束质量；激光光束整形；光束传输特性；光纤 耦合 北京t 业大学t 学硕l j 学位论文 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a l l a s e r sl i k ey a gl a s e ra n dc 0 2l a s e r ，h i g hp o w e rd i o d e l a s e r sh a v em a n yo b v i o u sa d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g h e l e c t r o o p t i c a lc o n v e r s i o n e 伍c i e n c y ，s m a us i z e ，1 0 n gl i f et i m e ，a i l dh i g hs t a b i l i 够b u tt h ep o o rb e 锄q u a l i t yo f d i o d el a s e rl i m i t si t sa p p l i c a t i o ni nm a n yf i e l d s i no r d e rt oe x p a n di t sa p p l i c a t i o nf i l e d ， i t ，s i m p o r t a n t t o a c h l o w l e d g e t h ef 打f i e l dl a s e r d i s t r i b u t i o n ，t r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，a n di m p r o v i n gt h eb e 锄q u a l i t yw i mb e 锄s h 印i n g ，s oa st or e a l i z e t h eo u t p u tp o w e ro fd i o d el a s e rt h r o u 曲f i b e rc o u p “n g t h i sp a p e rw a sb a s e do nt h el a s e rm a t e r i a lp r o c e s s i n ga p p l i c a t i o no fd i o d el a s e r s w i t ht h ep u 印o s eo fi m p r o v i n gt h eo u t p u tp o w e ra i l dt h eb e 锄q u a l i t yo ft h e h i g h p o 、v e rd i o d el a s e r ，a n dt h em a i no b j e c ti sh i g h p o 、v e rf i b e r _ c o u p l e do u t p u td i o d e l a s e r b e c a u s ed i o d el a s e ra r r a yh a sm a n ye m i t t e r s ，a sw e l la st h eo v e r a l lp o o rb e a m q u a l i 坝d i m c u l t 舶e rc o u p l i n g ，s t a c ko fp l a t eg l a s s e sa r eu s e df o rb e a ms h a p i n gt 0 i m p r o v et h eb e a mq u a l i t yo fd i o d el a s e ra 1 1 dc o u p l et h eb e a mi n t o 胁e r a tt h eb e g i n n i n go ft h i s p a p e r ， b e 锄 l i g h t d i s t r i b u t i o na n dt r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c so fm eh i g h p o w e rd i o d el a s e ra r ed e s c r i b e da tt h eb a s eo fd i o d el a s e r 、v a v e g u i d es t r u c t u r e ，h e 肌i t g a u s s i a nm o d e l ，s u p e r - g a u s s i a nb e 锄p r o p a g a t i o n t h e o 巧锄dp a r a x i a lt h e o r y e v a l u a t i o ns t a n d a r d so fl a s e rb e 锄q u a i i 够w e r ed e s c r i b e d ，c o m a i m n gt h e i r i n d i v i d u a la d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g e ，t h ea p p l i c a t i o nr a n g e ，a n dt h e i rr e l a t i o n s h i p s s p e c i f i c a l l yt h eb e 锄q u a l i t yd e s c r i p t i o no fo n e d i m e n s i o n a ld i o d el a s e ra 盯a ya n d t w o - d i m e n s i o n a la r r a yh a sb e e ns h o w n a ne e c t i v e l yi n c o h e r e n tb e 锄s h a p i n gm e t h o dh a sb e e nd e s i g n e dt oi m p r o v et h e b e 锄q u a l 时o fd i o d el a s e r a n dw ea 1 1 a l y z et h et h e o r yo ft h es h 印i n gm e t h o dof p l a t eg l a s s e s ，a 1 1 du s ez e m a x t os i m u l a t et h eo p t i c a lp a t h o nt h i sb a s i s ，、v es h 印e d t h eb e 锄o fd i o d el a s e ra r r a yt h r o u g he x p e r i m e n t ，a n dm ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s m a t c h e dt h et h e o 巧o fb e 锄s h 印i n g 、) l ，e 1 1 ，h i c hp r o v e dm i ss h a p i n gm e m o dc a n i m p r o v et h eb e a mq u a l i t yo fd i o d cl a s e ra r r a ye f i e c t i v e ly a tt h ee n do ft h i sp a p e r ，w ei n t r o d u c e 助e rc o u p i i n gt e c h n i q u e so fh i 曲- p o w e r d i o d el a s e rt h e o r e t i c a l l ya i l de x p e r i m e n t a l l y a c c o r d i n gt ot h ec o u p l i n gc o n d i t i o n s ，t h e a b s t r a c t l a s e rt h r o u g l l 舶e rc o u p l i n g k e yw o r d s ：h i 曲- p o w e rd i o d el a s e r s ，l a s e rb e a mq u a l i 吼l a s e rb e 锄s h a p i n g ，t h e b e 锄p r o p a g a t i o np r o p e r t i e so fd i o d el a s e r ，f i b e rc o u p l i n g i v 北京t 业人学t 学硕l ：学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录v 第l 章绪论1 1 1 半导体激光器的发展及现状l 1 2 半导体激光器的结构和光场分布4 1 2 1 半导体激光器的结构4 1 2 2 半导体激光器的光场分布5 1 3 半导体激光光束整形的研究进展7 1 4 本论文的主要工作1 0 第2 章大功率半导体激光光场分布模型及传输特性1 3 2 1 半导体激光光场分布模型介绍1 3 2 2 大功率半导体激光空间整形后的传输特性1 5 2 2 1 超高斯光束在自由空间中的传输1 5 2 2 2 受光阑限制的超高斯光束的传输1 8 2 3 大功率半导体激光二维阵列光场分布特性。2 1 2 4 本章小结2 3 第3 章大功率半导体激光光束质量2 5 3 i 半导体激光光束质量的评价标准2 5 3 1 1 激光光束传输因子m 2 2 5 3 1 2 激光光束参数乘积b p p 2 7 3 2 半导体激光阵列的光束质量。2 8 3 2 1 半导体激光一维阵列的光束质量2 8 3 2 2 半导体激光二维阵列的光束质量3 1 3 3 本章小结3 3 第4 章大功率半导体激光光束整形技术研究3 5 4 1 半导体激光光束整形原理3 5 4 2 大功率半导体激光光束整形方法技术研究3 7 4 2 1 阶梯反射镜整形实验3 7 4 2 2 平板玻璃堆整形实验3 9 4 3 影响半导体激光整形效果的因素4 4 4 3 1 半导体激光阵列慢轴参数对整形的影响4 4 v 北京t 业人学t 学砀! f j 学位论文 4 3 2 快慢轴准直镜的安装对整形效果的影响4 6 4 4 整形装置在大功率半导体激光器中的应用。4 9 4 5 本章小结5 2 第五章大功率半导体激光光纤耦合实验研究5 3 5 1 半导体激光光纤耦合条件分析5 3 5 2 大功率半导体激光光纤耦合实验。5 4 5 3 大功率半导体激光光纤耦合实验结果分析5 8 5 4 本章小结5 9 结j 沧6 l 参考文献6 3 攻读硕士学位期间的研究成果6 7 致谢6 9 v i 第1 章绪论 第1 章绪论 半导体激光器具有电光转换效率高、体积小、寿命长、功耗低、可靠性高等 优点，与传统的固体及气体激光器相比有很大的优势，在国防、工业、科研领域 都得到了广泛的应用。随着输出功率的不断提高，半导体激光器的应用领域也随 之不断扩大，特别是随着工业加工领域对大功率激光需求的不断增长，半导体激 光器在激光市场中的份额进一步增加。近年来，随着大功率半导体激光器电光转 换效率的提高、输出光束质量的改善和输出功率的增加，越来越多得被直接应用 于材料加工领域，以达到提高稳定性、减少能源消耗和降低运行、维护成本的目 的，在许多领域甚至已经取代了传统的固体和c 0 。激光器。 1 1 半导体激光器的发展及现状 半导体激光器从2 0 世纪六十年代诞生以来，经历了同质结半导体激光器、 一般异质结半导体激光器和量子阱半导体激光器的发展历程h 1 ，从最低的7 7 k 低 温脉冲输出到室温连续工作，输出功率从毫瓦量级到千瓦量级( 阵列器件) 瞳1 ， 其应用范围逐渐覆盖了整个光电子学的领域，在激光测距、激光医疗、激光加工 等领域都得到了广泛的应用。 1 9 6 2 年问世的第一台半导体激光器是同质结型激光器，当满足激发条件时 发出激光，实现了在7 7 k 温度下获得波长8 3 0 n m 的相干辐射激光脉冲，这种同质 结半导体激光器的阈值电流密度太大，难以在室温下连续工作。之后出现的异质 结半导体激光器，阈值电流密度比同质结激光器降低1 个数量级，但单异质结激 光器同样不能在室温下连续工作。七十年代末成功的研制出了在室温下脉冲运转 和连续运转的双异质结半导体激光器，阈值电流密度比最早的半导体激光器较低 了4 个数量级删。 七十年代，随着异质结激光器的发展，出现了半导体量子阱激光器( q w l ) ， 大幅度地提高了半导体激光器的各种性能，使其具有了阈值电流低、输出功率高、 频率响应好、光谱线窄、温度稳定性好和电光转换效率较高等许多优点。量子阱 激光器输出功率大大提高，承受的功率密度已达10 f i l w c m 2 以上。量子阱激光器采 用阵列式集成结构时，输出功率则可达到1 0 0 w 以上。 从2 0 世纪7 0 年代末开始，以提高光功率为目的的功率型半导体激光器在 2 0 世纪9 0 年代取得了突破性进展，其标志是半导体激光器的输出功率显著增加， 国外千瓦级的大功率半导体激光器已经商品化，国内样品器件输出已达到 6 0 0 w 。 北京t 业人学t 学硕f j 学位论文 近年来，国内外在大功率半导体激光器的研究方面进展非常迅速，随着半导 体激光器在激光打标、激光熔覆、激光焊接等方面应用的扩展，特别是半导体激 光二极管本身封装技术的不断发展，及光束整形、复合技术的进步，使得半导体 激光器在输出功率、光束质量等方面有了新的进展。随着研究的不断深入，半导 体激光器从发光单元( e m it t e r ) 到激光阵列( 1 a s e rd i o d ea r r a y ) 再到激光器 的整机系统的研究方面都取得了显著的进步。 如何提高半导体激光器发光器件的功率和光束质量，增加半导体激光器的寿 命，一直以来都是半导体激光器领域研究的重点，国内外在这方面取得的进展主 要包括以下几个方面： 一、半导体激光阵列向高功率、高电光转换效率方向发展。 2 0 0 7 年，德国j e n o p t i c 公司单管脉冲输出功率达到3 2 w ，单管8 0 8 n m 连续 输出功率达到1 4 w 1 。美国n e w p o r t 实验室单b a r 单波长连续输出功率已经大于 7 0 0 w ，光电转换效率高达6 5 1 。目前，德国d i l a s 已经商业化的产品中，单管 c m o u n t 输出高于1 w ，单b a r 可以实现连续稳定输出1 0 0 w b a r ，准连续( q c w ) 峰值功率最高可以达到3 0 0 w b a r 。国内的西安炬光网站发布，功率连续输出从 单管最高的1 2 w ，到b a r 条最高的8 0 w ，到叠阵的上千瓦，准连续( q c w ) 输出功 率从几百瓦到数千瓦都已经商品化。国内外的半导体激光器生产厂商和科研院所 都在向着高输出功率、高的光电转换效率方向努力。 二、半导体激光器向波长的多样性方向发展。 半导体激光器的发光单元通过选用不同的有源区材料可以得到不同激光应 用所需要的波长，大功率半导体激光器的波长范围从6 x x n m 1 9 x x n m n l 。目前 不同波长的半导体激光器的应用情况主要为：6 5 0 n m 和7 8 0 n m 激光可用于c d 和 d v d 技术；6 3 0 n m 和6 8 0 n m 激光主要用于作为医疗激光；7 8 0 n m 、8 0 8 n m 、8 6 0 n m 以及9 4 0 n m 的激光都可以用于泵浦固体激光器，这也是目前半导体激光器应用最 广的几个波长；9 7 6 n m 以及9 8 0 n m 甚至更高波长的半导体激光器可以用于光纤通 信以及泵浦光纤激光器1 。此外，输出波长1 7 岬的半导体激光器正在新的医学 和军事领域得到应用，这些应用包括目标照明和测距等。较短波长的激光器在材 料处理方面也得到了广泛的应用，如金属焊接、塑料焊接、打标等。目前半导体 激光器还在向着更短的波长( 4 0 0 n m 以下) 发展。 三、半导体激光器向高亮度、高光束质量方向发展。 提高半导体激光器的光束质量一直以来都是半导体激光器研究的热点之一。 世界各国的研究人员设计了多种器件结构，尝试了多种方法来改善半导体激光器 的光束质量。主要结构有依据条形波导之间光场耦合和相位稳定控制的锁相阵列 结构、非稳腔结构和采用单片集成主振荡的锥形结构。二十世纪九十年代以后， 追求高亮度、高光束质量的锥形半导体激光器成为国内外研究的热点。e k i n t z e r 2 第l 币绪论 等人在3 咖腔长、3 2 5 斗m 宽度输出的锥形半导体激光器连续功率达到4 2 w ，远 场衍射极限f 1 ) l h m ( 峰值的半高宽) 为0 2 6 。扣1 。m m i k u l l a 等人在2 咖腔长、2 0 0 岬 宽度输出的锥形半导体激光器中获得3 w 的连续输出功率，在输出功率为2 w 时， 输出光束为近衍射极限，远场f w h m 为0 2 4 。n 训。锥形半导体激光器近衍射极限 时，光束质量在砰= 1 3 ，输出功率可达7 7 w n ，准连续输出功率可达1 1 5 w n 引。 目前国内外各激光器公司及相关研究机构都在致力于千瓦级高光束质量的 直接或光纤耦合的半导体激光系统的研制。例如德国的l a s e r l i n e 公司、d i l a s 公司、j e n o p t i k 公司及美国的n l i g h t 公司等。国外报道n e w p o r t 单条最大连续 输出功率已经大于7 0 0 w ，最高电光转换效率高达7 3 n 引，单条4 0 1 2 0 w 已经商品 化。在千瓦级半导体激光器的研制方面，l a s e r l i n e 公司的直接输出半导体激光 器和光纤耦合半导体激光器的参数都处于世界的领先水平，如表卜1 为 l a s e r l i n e 公司2 0 1 0 年网站公布的产品参数。在l a s e r l i n e 已经商业化的产品 中，1 0 0 0 w 激光器能够耦合进2 0 0 岬光纤，2 0 0 0 w 可以耦合进3 0 0 岬光纤。美国 a p 0 1 1 0 公司的大功率半导体激光器，5 0 0 w 可以耦合进6 0 0 “m 光纤，1 0 0 0 w 和5 0 0 0 w 可以耦合进1 咖光纤。2 0 1 0 年西班牙的v i d a l 等人将波长8 0 8 n m 、功率1 2 0 w 的 连续半导体激光耦合进芯径4 0 0 岬，数值孔径0 2 2 的光纤，耦合效率7 0 n 引。 表1 1l 舔e r i i n e 光纤耦合大功率半导体激光器现状 r a b 1 一la c t u a l i t yo fh i g hp o w e rf i b e rc o u p l i n gd i o d el a s e ro fl a s e r l i n e p o w e r 1 0 0 0 w2 0 0 0 w3 0 0 0 w4 0 0 0 w5 0 0 0 w6 0 0 0 w8 0 0 0 w1 0 0 0 0 w b p p2 0 m m m r a d3 0 m m m r a d4 0 m m m r a d6 0 m m m r a d10 0 m m m r a d f i b e r4 0 0 u mn a o 1 3 0 0 u mn a o 24 0 0 u mn a o 26 0 0 u mn a 0 2 1 0 0 0 u mn a 0 2 s p o t 0 2 m mo 。3 咖0 4 m mo 6 m m1 o m m 寡 相对而言，国内在大功率半导体激光器研究和应用方面起步较晚，但也取得 了很大的进展。2 0 0 1 年吉林大学和长春光学精密机械学院用光纤捆绑式整形方 法对1 0 单元线阵半导体激光器条进行了光纤耦合实验，耦合效率7 5 。2 0 0 3 年 中科院半导体所用这种技术实现了6 0 w 的功率输出，耦合效率8 2 ，输出光纤为 1 5 唧，数值孔径0 1 1 哺1 。2 0 0 4 年，中科院长春光机所通过了百瓦级连续半导体 激光光纤耦合模块的成果鉴定。中科院上海光机所实现了6 0 0 岬的光纤输出， 系统的总效率5 2 哺1 。北京工业大学研制的1 0 0 0 w 高光束质量半导体激光器的光 束质量( b p p ) 可以达到1 2 m m m r a d ，超过了全固态激光器的光束质量n 副。根据 武汉凌云光电科技有限公司公司2 0 1 0 年网站公布的产品参数，6 0 0 w 半导体激光 耦合进6 0 0 岬的光纤，光纤数值孔径o 3 7 。 综上所述，国外千瓦级的半导体激光器已经耦合进光纤，并且已经商业化， 达到了工业应用的标准，而国内虽然有多家单位致力于大功率半导体激光器方面 的研究，但研制工业应用级的光纤耦合大功率半导体激光器的机构比较少，因此， 北京t 业大学t 学硕 j 学位论文 开展光纤耦合的千瓦级半导体激光器的研究，对目前国内激光领域具有重要意 义。 1 2 半导体激光器的结构和光场分布 1 2 1 半导体激光器的结构 半导体激光器的结构形式多种多样，如双异质结半导体激光器、条形半导体 激光器、量子阱半导体激光器、分布反馈半导体激光器等。实际应用的半导体激 光器是这些基本结构形式的优化组合。 本论文所讨论的半导体激光器( d i o d el a s e r ) 是指宽发射面双异质结构的 发光单元( e m it t e r ) 或半导体激光阵列( d i o d el a s e ra r r a y ) 。一个宽面发光单 元的结构如图卜1 所示，垂直于有源区结平面的方向为激光器的快轴方向，平行 于有源区结平面的方向为激光器的慢轴方向。 图卜1 单个宽面发光单元的结构示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cf i g u r eo fs i n g l eb m a d a r e ae m i t t c r 将多个相同的发光单元( e m i t t e r ) 沿结平面紧密线性排列得到的结构就称 为半导体激光一维阵列( 1 a s e rb a r ) ，简称b a r ，如图卜2 所示。 4 第l 章绪论 图卜2 半导体激光一维阵列结构示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cf i g u r eo fo n ed i m e n s i o n a la r r a yo fd i o d el a s e r s 多个相同的b a r 在垂直结平面的方向上进行叠加，就可以得到半导体激光二 维阵列( 1 a s e rs t a c k ) ，简称s t a c k ，如图卜3 所示。 图卜3 半导体激光二维阵列结构示意图 f i g 1 - 3s c h e m a t i cf i g u r eo f t w od i m e n s i o n a la r r a yo fd i o d el a l s e r ( s t a c k ) 1 2 2 半导体激光器的光场分布 半导体激光的光场分布通常