直接半导体光纤耦合激光器 简介

直接半导体光纤耦合激光器

1、  IPG光纤激光器原理
如下图1所示光纤激光器的工作原理如下:输入的三相电进入激光器主电源,转换成60VDC...75VDC的直流电,为泵浦激光二极管(半导体激光)供电泵浦光二极管输出980nm的泵浦光,泵浦光光纤耦合到有源光纤中,有源光纤掺杂了稀土元素镱离子Yb,镱离子Yb吸收980nm的泵浦光,其内层电子被激发到外层,外层电子不稳定,会回落内层,期间产生10701nm的光子,光子在光纤内被两个反射器件持续反射增强,形成激光输出。

1 掺杂Yb稀土离子的双包层光纤泵浦示意图
IPG光纤激光器采用双向泵浦结构,可以将多个半导体(LD)泵浦模块耦合到一根光纤中,大大提高了激光输出功率,见下图2所示。

2 IPG光纤激光器泵浦结构原理图

2、  半导体激光器
半导体激光器又称激光二极管,是用半导体材料作为工作物质的激光器,并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容,因而可与之单片集成。并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。
半导体激光器可以采用注入电流泵浦的方式,直接将电能转化为光能输出,具有体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等优点。上图3是半导体激光器的结构,通过直接电流注入的方式,使有源层中的载流子(空穴和电子)束缚在有源层中,实现粒子数翻转,当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时便产生受激发射产生激光。

3 半导体激光结构
受到半导体器件尺寸的影响,单条半导体激光器很难做到千瓦级别,因此大功率半导体激光器通常由多个半导体激光发光单元通过一维阵列(bar)或多维阵列(stack)叠加而成,但是大口径光学系统在进行光束整形和聚焦时必定带来较大的像差,影响聚焦光斑的大小,因此提高半导体激光器的功率和改变光束质量是密不可分的。
下表1是不同类型的半导体激光器的结构类型,以及所报导的输出功率。
1 不同结构的半导体激光器的类型以及输出功率
半导体激光器类型
示意图
已报导的最高输出功率
单管结构

最高可达75W(美国Alfalight公司)
bar结构

商用产品报导最大150W(德国QILAS公司)
叠阵stack结构

可达千瓦级以上。
2.1半导体激光器的优点。
  与其他激光器(气体、固体、光纤激光器)相比,半导体激光器有着许多不可比拟的优势:
(1)       电—光转换效率高:半导体激光器属于直接电—光转换型光电器件,量子效率很高,虽然受到自发辐射、非辐射复合等过程的影响,但总的电—光转换效率依然普遍能达到50%以上,最高甚至可以达到70%
(2)       工作寿命长:半导体激光器可靠性高,在连续工作的情况下可靠工作时间达到上万个小时。
(3)       波长覆盖范围大:半导体激光器是除气体激光器外,输出波长覆盖范围最大的直接出射激光器,通过调整有源区的半导体化合物组成成分可以实现从红外到远红外波段的输出,其中半导体激光器可以直接出射金属吸收率很高的9XXnm波长激光。
(4)       能够直接电调制:半导体激光器属于电激励型激光器,当注入电流大于阈值时便能出射激光,因此通过对注入电流的调制,则可以很容易的实现对输出激光的相位、重复频率和强度的控制。
(5)       异于集成、体积小、结构紧凑、成本低:半导体激光器是通过材料生长、光刻等现代工艺技术设备而成,能够实现大批量的规模化生产,因此价格便宜;同时半导体激光器芯片很小,即使加上封装结构,常用的半导体激光器体积也不过十几立方厘米,这样紧凑性结构很适合在集成系统里使用。
上表2列出了不同类型的激光器在工业加工中使用参数,对比可以发现半导体激光器在成本、维护、效率、寿命、尺寸具有极大的优势。
表2 不同类型的激光器的激光器在材料加工中的参数

2.2直接半导体光纤耦合激光器
直接半导体光纤耦合激光器,是指通过特殊的光学系统对半导体激光器出射的激光进行光束质量的改善,并在满足光纤耦合的条件后,通过聚焦把激光耦合进光纤进行传输的半导体激光器模块。通过光纤耦合传输的半导体激光器除了具备上述半导体激光器的众多优点外,还可以实现远距离柔性传输、光束质量好、亮度高、抗干扰能力强、使用方便、输出光斑圆形对称且均匀等特点,因此被广泛应用于各个领域。
2.2.1国内外研究现状
由于直接半导体光纤耦合激光的众多突出的优点和重要性,欧美等发达国家很早就开始了这一方面的研究工作。先进的材料技术、器件设计和加工水平,使得他们在该领域一直处于世界领先地位。国内对于直接半导体光纤耦合的研究相对较晚,并且开展的单位较少,目前研究水平与国外相比任然有很大的差距。国内的主要研究结构和公司有北京工业大学、长春理工大学、中科院长春光机所、西安聚光科技、北京凯普林公司汉凌云光电有限公司、武汉锐科公司等,其中武汉锐科公司是目前国内在大功率输出方面做的最好的单位之一,其所研制的915nm光纤耦合模块600μm/0.22NA光纤输出功率可以达到2000W
下表2列出了国内外主要研究结构报导的直接半导体光纤耦合激光器的光学参数,其中美国TeraDiode公司采用Stacks结构,输出功率达到2030W,光束质量优化到3.75mm*mrad
2直接半导体光纤耦合激光器国内外研究进展

2.2.2发展趋势
随着应用需求对光源的要求越来越高,同时也促进着直接半导体光纤耦合激光器的发展,未来的发展趋势主要在一下几个方面。
(1)       大功率输出:激光熔覆、表面硬化等领域对光束质量要求不高,对光束波长,没要求,但是要求激光输出功率很高,已达到金属等材料表面熔化的目的,目前在输出总功率方面,直接半导体光纤耦合激光器相对于CO2激光器、固体激光器等依然偏低。

4 工业应用于光源光束质量和输出功率的关系
(2)       高亮度输出:激光切割、穿透焊接等应用,不但要求功率较高,同时要求聚焦光斑             足够的小,以便做局部范围的精细处理,也就是要求光源具有高光束质量、高亮度的输出。
(3)       波长稳定:从作为泵浦光源的角度看,半导体激光器的另一个缺点是光谱较宽,波长随有源区的温度变化而漂移,漂移量可达10nm或以上。而固体增益介质的吸收谱线很窄,因此窄化和稳定泵浦光的波长将有利于大大提高增益介质的吸收利用率。


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