高亮度光纤耦合技术PPT课件

。1.大功率半导体激光器的单管光束合成和光纤耦合技术，孙，2。主要内容：国内外单管半导体激光器准直系统空间光束合成与扩展系统实验结果分析。3.国内外现状。国外现状。德国弗劳恩霍夫研究所利用阶梯镜反射法将两种偏振态波长为975 nm的单管半导体激光器组合成光纤耦合模块。105微米光纤输出功率达到100瓦，耦合效率达到80%。德国弗劳恩霍夫研究所使用锥形单管半导体激光器制造光纤耦合模块。50m光纤的输出功率为50W，波长为975nm，亮度为16.8毫瓦/平方厘米。美国克拉罗公司还利用偏振合束技术将波长为980纳米的单管半导体激光器制成光纤耦合模块，105微米光纤输出功率为100瓦，耦合效率为73%。多个光纤耦合模块通过光纤合路器捆绑在一起，功率可达千瓦。德国JENOPTIK公司采用慢轴积分准直法实现105m光纤输出65W光纤耦合模块，波长976nm，亮度9MW/cm2-STR。目前，我国单管半导体激光器的组合技术还不成熟。长春科技大学采用两级镜像法耦合单波长光纤。200m光纤的输出功率达到12.4瓦，效率达到74%。国外单管半导体激光器的总输出功率可达几十瓦，最大输出功率可达100瓦以上。北京凯普林光电有限公司开发的976nm半导体激光光纤耦合模块，可输出50W至105m光纤，在国内属高水平。图1-1北京凯普林有限公司50W/150 m光纤耦合模块产品，表1.1单管光束耦合国际对比表，表6，表1设计方案：首先通过微透镜对每个单管半导体激光器进行快轴和慢轴准直，准直光束通过空间合束叠加在快轴上，然后利用偏振合束技术对空间合束进行偏振合束，最后， 组合光束经自行设计的扩束聚焦系统扩束，聚焦成光纤，大大提高了光纤耦合模块的亮度。 纤芯直径为105m，NA0.2的光纤耦合模块的输出功率为15.22瓦，亮度超过1.4毫瓦/平方厘米。为了获得更高的亮度，我们选择纤芯直径为105m、平均孔径为0.2的光纤，即df=105微米，F=0.2。由于光束组合后半导体激光器的光斑为正方形，远场分布也为正方形，光纤的纤芯直径和na为轴对称分布，聚焦后快轴和慢轴的BPP必须满足以下条件。一般来说，半导体激光器在快轴和慢轴上的光束质量差别很大。以实验中使用的808nm半导体激光器为例，快轴发光尺寸为1.5um，慢轴发光尺寸为100um，相应的发散角为6011(95%能量)。从单管半导体激光器快轴和慢轴的尺寸和发散角可以获得快轴和慢轴的光束质量。通过以上公式可以看出，快轴方向的光束质量较好，但发散角很大，不利于单管半导体激光器在光束组合中快轴方向的叠加。激光器需要使用小焦距透镜进行准直。11，3准直系统，图4-2显示了使用400um直径的应时光纤的快速轴发散角为60(95%能量)的半导体激光器的准直结果。准直后，发散角大于2(95%能量)。实验中使用的面阵有效焦距为0.85毫米，非球面系数为-0.8，为椭圆形。慢轴的发散角相对较小。所用的慢轴准直器是一个eflsac=20毫米的柱面镜。具体结构如图4-6所示。嘿。14，4校正球差准直，在单管光束组合等高光束质量的应用中，要求快轴准直后的发散角较高，球差校正需要较好，因此焦距较短准直后的光束发散角由光学设计软件模拟，如图4-8所示。准直后快轴和慢轴的发散角为2.2mrad4.6mrad(95%能量)，相应的光束质量见表4.1。可以看出，慢轴光束BPP小于5.25毫米拉德，但是比快轴大得多，因此有必要通过在快轴方向上叠加光束来使快轴方向和慢轴方向BPP相等。19和5是空间组合的。由于每个FAC的高度为1.5毫米，所以每两个半导体激光器之间的高度差为1.5毫米。安装和固定FAC时会出现方向性误差，通常在0.5毫拉德的范围内。我们在设计时需要考虑这一误差，因此整个光束组合后光源在快轴方向上的发散角为3.2毫拉德。根据上述公式(4-3)，四个半导体激光器可以在快轴方向上放电。我们在台阶式散热器的每一个台阶上设置一个单管半导体激光器，每一个台阶的高度为1.5毫米。每一个激光器经过FAC和SAC准直后，被反射棱镜全反射，使四个激光器发出的光束叠加在快轴上，如图4-9所示。如图4-10所示，快轴光束组合后的光斑尺寸为6mm4.3mm，发散角为3.2mrad4.6mrad。快轴和慢轴的光束质量为，快轴方向的BPP最接近慢轴方向的BPP，但快轴的发散角为3.2mrad，慢轴的发散角为4.6mrad，慢轴的发散角为快轴的1.44倍。因此，有必要设计一个光束扩展系统来扩展慢轴光束，使快轴和慢轴的发散角相等。只有在聚焦之后，才能在光纤的端面上获得方形光斑。常用的激光束扩展系统分为开普勒光束扩展结构和伽利略光束扩展结构。嘿。嘿。22，6光束扩展系统，1)开普勒光束扩展结构开普勒光束扩展的内部结构如图4-11所示。它属于非成像系统，由目镜和正焦度物镜组成。入射光束将聚焦在目镜和物镜之间。当入射激光功率较高时，容易发生空气击穿，因此不适合在高功率激光系统中应用。伽利略扩束结构伽利略扩束结构由一个具有正放大率的物镜和一个具有负放大率的目镜组成。因为这种结构是普通的虚拟焦点，并且其轴向间距是正透镜和负透镜的焦距的绝对值之间的差，所以整个光学系统具有小的轴向尺寸和紧凑的结构。负目镜可以补偿正物镜的像差，使系统简单，减少反射面光能的损失。此外，由于无焦系统，可以避免空气击穿，所以这种结构经常用于高功率激光束扩展。伽利略结构设计了一套1.44倍柱面扩束系统，如图4-13所示，由一个凹柱面镜和一个凸柱面镜组成，表面类型分别为平凹和凸。R1=13.6毫米，r2=19.58mm毫米，慢轴扩束前后的BPP如表4.2所示。半导体激光束通过扩束系统后，慢轴发散角减小1.44倍，等于快轴发散角，而慢轴BPP增加1.05倍。这是因为慢轴扩束镜采用两件式单片镜结构，并且都是平凸型的，这不能消除扩束过程中产生的像差。图中，h和分别表示聚焦前光束的半宽和发散半角，h和表示聚焦后光束的半宽和发散半角，f为耦合镜的焦距。我们使用ZEMAX光学设计软件优化了聚焦透镜组的功能，将焦距限制在47毫米，透镜材料为熔融应时JGS1光学玻璃，并选择了三个透镜的初始结构。经过优化，我们得到了最佳的结构。结构参数列于表4.3。聚焦透镜组的结构如图4-14所示。图4-15是聚焦透镜组在0视场的点阵列图和波前图。从图中可以看出，位移的几何圆的直径根据对实验结果的分析，实验中使用了四个输出功率为5W、波长为808nm的单管半导体激光器。它们的输出波长如图4-16所示，中心波长为808.6nm，光谱宽度为2.6nm(FWHM)，单个激光器的P-I曲线如图4-17所示。当注入电流为5.8A，工作电压为1.62伏，输出功率为5瓦，斜率效率为1.05瓦/安，相应的电光转换效率为45%。光纤耦合模块的输出亮度可以通过公式(4-9)计算，其中b是亮度，p是输出功率，d是光纤的纤芯直径，是光纤的数值孔径。经过计算，当光纤耦合