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1、高亮度半导体激光器模块泵浦光纤激光器单发射体或阵列配置（也称为半导体激光器巴条）中的多模半导体激光器， 已经成为多种应用中的固态激光器光学泵浦的首选泵浦源。当用于光纤激光器的 光学泵浦源时，单发射体和巴条各有特定的优缺点。单发射体的优势在于能够 实现可大规模量产，并具有相对良好的热管理能力；而巴条则在光学亮度、小巧 的体积（同等输出功率条件下），以及通过几个单体光学元件对多个发射体进行 光束整形方面，具有自身优势。通过开发专门的芯片结构，深圳市星鸿艺激光科技有限公司专业生产激光打 标机，激光焊接机，深圳激光打标机,东莞激光打标机以及针对光纤激光器泵浦应 用对模块进行专门的设计和优化，半导体激光
2、器巴条 已经能够实现自动化生产和光纤耦合，同时降低了对相邻发射体的热影响。优化的芯片结构传统上，激光二极管巴条可以描述为位于一个非常薄的外延生长层上、由光 刻定义的激光发射体阵列激光打标机。芯片宽度通常为10mm，发射体的谐振腔 为1mm，其大约比阵列宽度小一个数量级。这些单晶半导体结构沿垂直于发射 体的平面断开，随后暴露面被镀上反射膜。在最初使用高功率半导体激光器时，其可提供的光功率通常会受到端面上光 学反射膜的损伤阈值（COMD=灾变性光学镜面损伤）的限制，这样就只能通过 增加发射体宽度、以及增加发射体数目来提高功率。更宽的发射体将会导致更高 的光束发散，并会对相邻的发射体产生更大的激光打
3、标机热影响，这就是众所周 知的热串扰，其最终会导致每个单独发射体的光束整形损耗。光学端面镀膜技术的进一步发展，已经实现了更加耐用的反射镜，从而可以 通过使用腔长更长、宽度更窄的发射体（降低发散）和更大的发射体间距（减少 热串扰）来提高功率。这种半导体激光器巴条的外观接近正方形，其发射体的腔 长和阵列宽度在同一尺寸范围，但是发射体的数量却只有标准阵列的25%。这 使得激活体积与标准巴条相当，从而实现了与标准巴条接近的功率输出。这些巴 条通常被称为迷你巴条（Mini-bar）、激光打标机超级巴条（Super-bar）或“T 型巴条”（T-Bar，定制巴条）。在这种巴条中，发射体之间较大的间距，允许
4、使 用易于加工的SAC （慢轴准直）透镜阵列对所有发射体的输出光进行准直。发 射体尺寸的减小，能够降低光束发散，从而使光纤耦合变得更加容易。目前用于标准激光二极管巴条封装的自动硬焊接封装技术，也能够用于上 述迷你巴条的封装。由于这些迷你巴条的宽度更小，因此与10mm宽的激光二 极管巴条相比，其“smile效应”大大改善，从而使得随后的FAC透镜（用于准直 垂直于封装平面的输出光）和SAC透镜阵列（用于准直封装平面每个发射体的 输出光）的光学准直变得更加容易，并能实现自动化操作。光纤耦合基本模块为了建立具有较少泵浦源耦合点的光纤激光器，单个泵浦模块应有尽可能高 的输出功率。最初的目标是建立具有简
5、化的光学概念（进而能实现自动化生产） 的、基于迷你巴条的模块，用其作为976nm标准巴条泵浦源的等效元件，并通 过芯径200pm（NA=0.2）的光纤实现无包层的135W输出功率（见图2）。当 然，更进一步的目标是提高输出功率，以在材料成本和制造成本保持不变的情况 下，降低每瓦成本。当耦合单个发射体（宽度约为100pm，高度约为1pm）时，由于较大的宽 高比，光纤的孔径没有完全使用激光打标机。合适的光束整形和一定数量的发射 体堆叠，能够充分使用光纤的孔径。为了实现这个目标，将几个传导冷却的迷你 巴条与光束整形所必需的微光学元件一起在底板上二维排列，底板采用底部冷却 方式。装有迷你巴条和微光学元
6、件的底板，可以看成一块可自动配置的电路板。 此处与标准巴条的一个重要区别是，需要对微光学元件进行主动准直，同时还要 考虑光纤耦合所必需的参数。迷你巴条图1：光纤耦合基本模块的底板原理示意图自动化生产的保证，加上微光学元件的主动准直，使得堆叠和准直光束的光 束特性具有高度重复性，从而实现光纤耦合。坚固的设计由于上述提及的模块具有高度一致性激光打标机，因此在进行光纤耦合时， 无需将准直光束聚焦到固定的光纤上。相反，这些模块可以配备可拆卸的光纤， 这使光纤激光器的装配更加容易。&盗55%-5C%-40%35%30%图2：光纤耦合输出的976nm基本模块的特性曲线和电光效率，输出光纤芯径200pm、数
7、值孔径为0.2,输出功率为135W。该光纤耦合基本模块通过芯径200pm的光纤（数值孔径0.2）获得的无包 层泵浦功率为135W，并有水冷式SMA模式分离接头。这些电光参数是在驱动 电流小于30A、工作电压低于12V的情况下获得的。因此，该模块实际上是以 最大效率驱动的，这也将延长其使用寿命。从特征曲线可以看出，在比额定驱动电流高很多的情况下，没有显示任何热 下降，这些已经可以看出这种设计的坚固性激光打标机。如前所述，中期目标是 提高该基础模块和其中包含的迷你巴条的功率水平，以便能通过芯径200pm、 数值孔径为0.2的光纤获得功率为200W的976nm输出光。该基础模块结构紧凑（130mmx
8、65mmx39mm）、质量轻巧（小于1kg）， 因此这些模块能够紧密排列（见图3）。例如，可以使用12个泵浦模块获得 135Wx12=1620W的总泵浦功率，该功率足够实现功率为1kW的光纤激光器。 目前，Rofin集团的FL-Line系列等产品已经采用了该泵浦模块。图3：紧凑排列的基于迷你巴条的光纤耦合基础模块。高度集成的光纤耦合模块通过空间重叠和偏振复用，能够进一步提高目前全系列的976nm光纤耦合 模块的输出功率。图4：基于迷你巴条的光纤耦合半导体激光器模块产品系列。目前，由四个完全装配的耦合基础模块组成的激光二极管模块，通过芯径 200m （数值孔径为0.2）的光纤可以获得大于600W
9、的输出功率。显然，目前 标准SMA光纤不能用在该功率水平下，而必须使用高功率水冷光纤。这些模块 的外形尺寸为285mmx250mmx100mm，依然非常紧凑。80050%45%40%-30%25%激光斓20Del700Del5言为DoD10%图5：基于四个976nm基础模块的光纤耦合模块（输出光纤芯径200m、 数值孔径0.2）的特性曲线和电光效率。所有介绍的模块都经过专门设计，包含用作光纤激光器的泵浦模块、 用于功率监控的光学传感器激光打标机、温度传感器以及光纤激光器波长保护滤 光片。无论是已经实现的、还是理论上可以实现的光学输出功率水平，最终的额定 输出功率水平将会考虑市场所预期的产品使用
10、寿命。光谱宽度的缩小9 砧STD5过，逃S3带VBG/ 版！ekwfli9SD 965波长（nm）图6：带VBG和不带VBG的集成光纤耦合模块（输出功率600W；输出光 纤芯径200pm、数值孔径0.2）用作标准模块。通过使用体布拉格光栅（VBG），上述激光二极管模块的光谱宽度可以进一 步缩小。这些布拉格光栅也能够自动准直。这些带VBG的模块在额定功率90% 处的光谱宽度通常小于1nm。总结本中介绍了第一代针对特定应用优化的光纤激光器泵浦模块，该模块基于传 导冷却的迷你巴条，其制造流程高度自动化。随着光纤耦合激光二极管基础模块 （135W, 200pm,数值孔径0.2）在2011年慕尼黑激光展的首次亮相，目前第 一批功率提升的模块系列也已面世。更高输出功率（高达600W）的模块也得以 展示，并将在进一步优化后推向市场。该模块采用开放式设计，可使用附加的光学元件，如体布拉格光栅（VBG）, 以减小光谱宽度并增强波长稳定性。
高亮度半导体激光器模块泵浦光纤激光器
