高功率半导体激光器光纤耦合线阵技术[1](精)

1、第 26 卷第 2 期 2005 年 3 月兵工学报 ACTAARMAMEN TARIIVol. 26No. 2Mar.2005高功率半导体激光器光纤耦合线阵技术朱林泉 1, 朱江淼 2(1. 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西太原 030051;2. 北京工业大学电子信息与控制工程学院 , 北京 100022摘要 :研究高功率半导体激光器的光纤耦合和光纤输出端密排成线阵的技术。论述了微柱面透镜对高功率半导体激光器椭圆光束的准直原理, 计算了剩余发散角 ,设计了光纤耦合器件和光纤输出端密排成线阵的夹具。这种方法耦合效率高, 线阵中各激光元地址可设定 , 并可对各激光元输出功率进

2、行调制。它作为能量型器件 , 可在激光显示技术 (LD T 和选择性激光烧结快速成型 (SL S RP 技术中应用。关键词 : 光电子学与激光技术 ; 高功率半导体激光器线阵 ; 光纤耦合 ; ; 选择性激光烧结快速成型中图分类号 :TG 665文献标志码 :A2204、易调制、可靠性好、寿命长集成光路等优点, 所以在光通讯、光电测量、信息存贮与处理等方面有重要应用。但是, 由于半导体激光器单管功率较低, 一直未能作为能量型器件应用。随着半导体材料和器件工艺技术的进步 , 目前单管功率已提高到瓦级 , 尤其是半导体激光器阵列的产生和高功率半导体激光器光纤耦合技术的提高 , 使它成为颇具竞争力的

3、能量型器件 , 在材料加工、全固态激光器泵浦源 (DPSS 和激光显示技术 (LD T 领域中得到应用。1 线阵半导体激光器新的应用领域线阵半导体激光器作为能量型器件 , 其新的应用领域有 :作大屏幕激光显示系统的光源 ; 作选择性激光烧结快速成型 (SL S RP 系统的能量源。 1. 1 激光显示系统光源LD T 是一种实现远距离超大屏幕显示的技术。它使用具有较高功率的红、绿、蓝 (三基色 单色激光器为光源 , 混合成全彩色 , 并进行行和帧扫描 , 从而在半空中形成二维静态或动态全彩图像 , 造成绚丽景观 , 见图 1。收稿日期 :2004-07-02基金项目 :山西省自然科学基金项目(

4、20021041图 1激光显示的绚丽景观Fig. 1Samples of laser display目前 , 由激光二极管 (面阵 泵浦的全固态激光器和倍频技术获得了红光、绿光和蓝光辐射 , 使用高功率半导体激光器 (或与光纤耦合 可获得红光辐射 , 它们的连续输出功率都可达到数瓦、数十瓦 , 甚至数百瓦 , 可满足激光显示技术对光源的光谱和功率的要求。这些全固态激光器结构紧凑、电光效率和工作可靠性高 , 已成为激光显示技术的首选光源。S K iiskila等人在激光显示技术中成功地使用了线阵半导体激光器1,它既作光源又作一维扫描器件。这种线阵的各激光元可以独立驱动 (由程序设定地址 , 另外

5、只配置一个一维扫描器件 , 扫描中同时有选择地驱动线阵中的激光器 , 就可实现二维扫描。另外 , 文献 2 也报道使用激光二极管阵列实现了全彩激光显示。1. 2SL S RP 系统能量源快速成型 (RP 是一种先进制造技术 , 适合于制造单件或小批量的复杂零件和模具 , SL S RP 是一种使用 CO 2 激光作能量源的快速成型技术。文献 3 在传统点扫描 SL S RP 技术的基础上发展了线扫描新工艺, 并发明了适合线扫描工艺的新颖能量源。它采用若干个高功率半导体激光器与光纤耦合组成光纤线阵 , 再经微透镜阵列在工作面上形成一条断续的激光线束(虚线状 , 见图 2。两条同样的光纤线阵在长度

6、方向作一定的错位, 并使他们发出的光束以 “V”字型投射到工作面上 , 互相镶嵌形成一条连续的激光线束(实线状 , 见图 3. 由计算机设定线阵中各激光器的地址 , 可任意改变激光线束的长度和间断位置, 并控制线阵在与之垂直的方向上平移 , 就可以实现复杂图形 (如各种曲线封闭的图形及带孔图形选区烧结 ,如线束足够长 , 则一次扫描就可完成一层加工。它可满足成型粉末材料烧结对激光的光谱、能量、能加工大尺寸工件, 围。图 2一组线阵形成断续的激光线束Fig. 2Non 2continous laser line beamformed by one fiber array图 3两组线阵形成连续的激

7、光线束Fig. 3Continous laser line beam formed by two fiber arrays图 2 中微透镜阵列是由若干个微型球面透镜组成的线阵。2 高功率半导体激光器光纤耦合技术对一般低功率半导体激光器来讲, 提高光纤耦合效率已有许多成熟的技术。但在 112 节的线扫描快速成型技术中,新颖能量源是一种光纤耦合高功率半导体激光器线阵, 在耦合和形成线阵的技术方面有特殊的要求和难度。使用单管半导体激光器与光纤耦合 , 再组成光纤线阵 , 由于单管半导体激光器的输出功率已达到瓦级 , 因此有利于提高线阵上各像素的功率。高功率半导体激光器的发散角大 , 慢轴方向约为 1

8、0°, 快轴方向则可达 40°. 另外 , 它的发光面尺寸大 , 慢轴方向可达 150m甚至 200m ,大于光纤端面尺寸 , 所以提高光纤耦合效率尤其困难 , 只有使用非球面透镜将激光光束会聚到光纤输入端 , 。德国 L IMO , , 慢轴方向使用一微柱面透镜阵 , 见图 4。图 4 微柱面透镜阵列Fig. 4Array ofmicro 2cylinder lenses半导体激光器线阵中的各个激光元的发光面都是一线光源 , 设其快轴方向尺寸为1m ,慢轴方向尺寸为150m ,所以会聚后的像点尺寸主要决定于慢轴微柱面透镜的焦距和物、像距之比 , 如光纤纤芯尺寸为 50 m

9、 则,物、像距之比应为 31. 使用时 , 可使两微柱面透镜对激光元发光面作适当离焦。对长春理工大学国防重点实验室的功率为1W 的半导体激光器进行了光纤耦合,采用 2 个微柱面透镜对激光元发光面作适当离焦, 将激光光束会聚到光纤输入端, 获得耦合效率为 70%, 耦合原理图见图 5。其中 , 光纤和调节块紧密连接 , 使用两个差动螺钉在两个相互垂直的方向上精密调整调节块位置 , 使光纤输入端对准耦合器的聚焦点。 5个弹簧保证调节块平稳位移, 使用红外装置通过观察孔281兵工学报第26 卷可监视对准情况 , 同时使用功率计监测光纤输出端的光功率。差动螺钉大头螺距为 0175mm , 小头螺距为

10、015mm , 螺钉转动一圈 , 调节块位移 0125mm. 图5 耦合器Fig. 5Coupler3 微柱面透镜准直器的剩余发散角L IMO , 则要求共面 , 再后续一个球面透镜同样能将半导体激光器输出光束会聚到光纤输入端 , 从而组成为耦合器。那么微柱面透镜阵列准直器的准直特性究竟如何 , 下面对它的剩余发散角进行分析。将一个激光元取出 , 对其输出光束进行准直处理 , 见图 6。图中 , 两柱面透镜都是平凸型结构 , 母线相互垂直 , 焦距不等 ,调整两柱面透镜的焦平面与发光面重合。由于发光面为一线光源 , 在快轴方向尺寸很小 , 约 1m ,因此准直效果好 , 输出光束与光轴平行 ,

11、 在慢轴方向发光面尺寸较大 , 因此准直后存在一定程度的剩余发散角(见图 7 tan =2s-a=ctan2,(1 图 6单个激光元快、慢轴光束准直处理Fig. 6Alignment of laser diode beam式中 :a 为激光元发光面慢轴方向尺寸; c 为慢轴准直柱面透镜的通光口径 ; s 为柱面透镜焦距 ; 为H激光元慢轴方向发散角。因存在剩余发散角 所,以在距离 m 处所成的短线像大于发光面慢轴方向尺寸, 其长度为n =(c -a +2m tan.(2 (1 式、 (2式是设计微柱面透镜阵列准直器和耦合器的基础。图 7慢轴准直剩余发散角Fig. 7Surplus diverg

12、ence angle of slow axis4 , 再, 图 8 为光纤线阵密排示 , 长、宽、高分别为 20、 15、3mm , 在宽度方向用光刻腐蚀工艺加工 50 个小槽 , 放置 50 根光纤。光纤直径为 150m ,纤芯直径为 50m , 光纤密排节距为250 m光.纤密排时借助两弹簧片进行预固定, 最后用压板压紧。要保证光纤输出端齐平, 各光纤端面高低位置允差为30m ,可用红外摄像仪进行监测 , 并转动光纤进行调整。图 8光纤线阵密排示意图Fig. 8Close arrange of fiber array5 结论使用上述光纤耦合方法可获得70%的耦合效率, 光纤线阵的线性度误差

13、为 30m ,在距离 50mm 的工作面上形成的各光点直径为 200m ,误差为 30m.线阵中各激光元地址可设定 , 并可对各激光元输出功率进行调制。它作为一种能量型器件 , 可在 LD T 和 SL S RP 技术中应用。381 第 2 期高功率半导体激光器光纤耦合线阵技术参考文献1 K iiskila S , et al. Compact laser projector for multimedia C . Proceeding of The Eleventh Annual International Workshop , 1998:99-104.2 东南大学 . 一种激光显示视频图像的

14、方法及显示器 :中国专利:01131494P.2001-9-12.3 Zhu Linquan , et al. Rapid prototyping process using linear arrayof high-power laser diodes , SPIE s Proceeding C .Bellinghan Washington USA :Published by SPIE , 1999:289-293.Array T echnology of Fiber Coupled High Pow er Laser DiodesZHU Lin-quan 1, ZHU Jiang-miao

15、2(1. K ey Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement , North University of China ,Taiyuan , Shanxi 030051,China ; 2. School of Electronic Information and Control Engineering ,Beijing University of Technology , Beijing 100022, ChinaAbstract :Atechnology of high power diodes coupled

16、 with fibers whose output ends are closely arranged as a linear array was reseached in this paper. The principle of the laser diode elliptic alignmented with mi 2cro-cylinder lenses , designs of fiber coupler and clamping output ends were de 2scribed also. The coupling efficiency of the micro-cylinder in the array may