nLIGHT, Kirk Price, Scott Karlsen, Paul Leisher, Robert Martinsen

摘要

文章將就nlight公司不斷發(fā)展的高亮度激光二極管模塊作一個(gè)報(bào)告。這些模塊以nlight公司PearlTM產(chǎn)品平臺為基礎(chǔ)，在輸出功率、亮度、波長穩(wěn)定、波長性能方面顯示突出優(yōu)勢。該系統(tǒng)基于十四個(gè)單管激光器，采用空間光聚焦方式將激光耦合到光纖芯徑為105µm，數(shù)值孔徑NA小于0.14的光纖。我們目前實(shí)現(xiàn)了超過100W的光功率在波長為9xx nm的二極管亮度超過了20MW/cm2-str,運(yùn)行效率大約50%。另外結(jié)果也顯示了超過70W的光耦合在8xx nm。也展示了在波長14xx nm和更長的波長有卓越的紀(jì)錄的光纖耦合技術(shù)，其中功率超過15W，7.5mm-mrad的光束質(zhì)量。這些高亮度，高效率，高波長穩(wěn)定性的成果顯示了下一代固體激光和光纖激光器所需的泵浦技術(shù)。

關(guān)鍵詞：光纖耦合二極管激光器、高亮度。

 1.介紹

高亮度光纖耦合二極管激光器打開了二極管激光器在工業(yè)和泵浦應(yīng)用上新的應(yīng)用領(lǐng)域。nLIGHT公司已展示了具有優(yōu)越亮度的設(shè)備應(yīng)用在各種工業(yè)和泵浦應(yīng)用中。

在 Photonics West 2009 展會上 nLIGHT公司介紹了高亮度光纖耦合激光器二極管模塊，展示了超過100W光功率耦合進(jìn)105µm，0.15 NA的光纖，相對應(yīng)的亮度超過20 MW/cm2-str1。本文著重介紹了這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用在泵浦模塊從79x 到15xx nm。一如往常，這些設(shè)備都是基于nLIGHT公司高功率大面積單管結(jié)構(gòu)的專利，即自由空間組合的一個(gè)簡潔和廉價(jià)的方法2。這種方法保留了激光二極管的功率和高亮度，造就具有最佳亮度和效率的設(shè)備。

2.高亮度泵浦激光器應(yīng)用

對高亮度的激光模塊結(jié)構(gòu)發(fā)展的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)。首先，平臺和工具必須與波長無關(guān)，使其適用于整個(gè)頻譜激光二極管。其次，光設(shè)計(jì)的效率應(yīng)盡可能高。最后，激光二極管模塊的可靠性，必須充分被評估和驗(yàn)證。

nLIGHT公司的高亮度激光二極管模塊最初是為泵浦光纖激光器而研制。更高亮度泵浦源能夠使更高功率的光纖激光器通過其性能空間地耦合更大數(shù)量的泵浦和更有效的將它們耦合到光纖中。脈沖光纖激光器也需要高亮度泵浦模塊，以減少有源光纖長度和相應(yīng)光纖的非線性。在脈沖光纖激光器設(shè)法處理好非線性以使激光器脈沖長度更短和峰值功率更高。

 過去幾年我們致力于解決泵浦應(yīng)用包括以下幾點(diǎn)：

  .Tm-doped 光纖激光器波長為795nm的泵浦應(yīng)用

  .Er-doped 光纖激光器波長為1532nm的泵浦應(yīng)用

  .Yb-doped 光纖激光器波長穩(wěn)定裝置976nm的泵浦應(yīng)用

  .窄光譜線的YAG (885 nm), Er:YAG (1532 nm), 和 Ho:YAG (1910 nm)的固態(tài)激光器的泵浦應(yīng)用。

除泵浦應(yīng)用外，高亮度的激光二極管模塊可供選擇的應(yīng)用還有消費(fèi)，材料加工，醫(yī)療領(lǐng)域等。在材料加工領(lǐng)域的目標(biāo)是用直接二極管激光器來代替燈泵固態(tài)激光器，對于直接二極管激光系統(tǒng)相應(yīng)效率大約從2％（燈泵浦裝置）提高到超過40%。圖1顯示了半導(dǎo)體直接激光二極管的應(yīng)用范圍，從79x為19XXnm。

泵浦激光光纖耦合的電光轉(zhuǎn)換工作效率

直接二極管激光器模塊具有顯著效率，其效率大于50%在對于波長從79x到9xxnm之間制造的直接二極管激光器模塊。高效率的光纖耦合激光設(shè)備在幾個(gè)方面提高模塊的性能。首先，高光光轉(zhuǎn)換效率可以減少二極管激光器數(shù)量，從而可以降低模塊成本。二極管激光器數(shù)量的減少也可以形成一個(gè)較小的封裝尺寸，用更少的二極管和光學(xué)器件達(dá)到一定的光功率。該系統(tǒng)的高效率也可以簡化冷卻系統(tǒng)的降低多余熱量的散熱要求，如圖2所示。最后，模塊高效率可以使系統(tǒng)需要較少的電力，降低激光設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用。

除了高效率值，二極管激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)也可以顯示出極好的可靠性。近來高功率，多模單管激光二極管已經(jīng)顯示出來近似電信的可靠性。例如，nLIGHT已經(jīng)研發(fā)了3.8毫米腔長的高功率二極管激光器，在10W3,4量級時(shí)FIT率低于億分之45。此外，nLIGHT對單管激光器和光纖耦合封裝還進(jìn)行了廣泛的可靠性測試。結(jié)果表明，眾多的單個(gè)二極管相對光纖耦合二極管激光模塊在統(tǒng)計(jì)上沒什么區(qū)別。這是通過考核90% CL繪制的顯示出的不穩(wěn)定性的運(yùn)行時(shí)間的單個(gè)二極管相對光纖耦合二極管激光模塊封裝，如圖3所示。這一結(jié)果標(biāo)示了缺乏封裝誘發(fā)故障（PIF）。這些設(shè)備有一個(gè)時(shí)間到10％的失敗率在運(yùn)行30萬至40萬小時(shí)，在9xx納米，假設(shè)多年免維護(hù)運(yùn)行。

3. 高亮度泵浦激光器

nLIGHT公司單管結(jié)構(gòu)的靈活性可以被廣泛的生產(chǎn)成各種各樣的封裝類型。這些二極管模塊包括專為固體激光泵浦，光纖激光泵浦和材料加工而設(shè)計(jì)的。

200um泵浦模塊是為泵浦Tm光纖激光器，Nd:YAG固體激光器和摻鐿光纖激光器而開發(fā)的。79x至88xnm的模塊能夠?qū)⒊�過100W CW耦合到200µm的光纖，0.15NA。在脈沖模式下工作，200W以上的峰值功率可耦合進(jìn)同一光纖，光譜線低于2 nm FWHM。這一結(jié)果表明在脈沖模式下運(yùn)行nLIGHT的光纖耦合二極管的峰值功率能夠高于在連續(xù)模式運(yùn)行功率100％。圖4（左）顯示了該設(shè)備的電流功率特性。 9xx nm的產(chǎn)品能夠耦合光功率超過120W到200 μm光纖，NA小于0.1。在設(shè)備的整個(gè)運(yùn)行范圍里實(shí)現(xiàn)了效率大于50％，如圖4所示（右）。這種裝置有不到2％的光進(jìn)入覆層，而且還可以生產(chǎn)出一個(gè)大于35 dB的1微米的隔離窗口。除了光纖激光泵浦，此設(shè)備可用于材料加工.

圖。4：（左）LI曲線， 2 00 μm, 0.15 NA的泵浦模塊用于泵浦波長從79x 到88x nm。該器件可工作在脈沖模式，以達(dá)到約使用連續(xù)可用功率時(shí)一倍的功率。 （右）9xx nm，200μm,  0.1 NA的泵浦模塊LIV特性。這些產(chǎn)品可作為激光泵浦模塊以及材料處理應(yīng)用。

當(dāng)需要更高的功率，nLIGHT正在生產(chǎn)一種基于單管激光二極管的大封裝高功率產(chǎn)品。這種封裝是專為光功率超過600瓦耦合到一個(gè)400微米，0.2 NA的光纖，或超過500W耦合到200微米，0.2 NA的光纖。該設(shè)備也被設(shè)計(jì)成具有高度的可配置性，有獨(dú)立的光學(xué)和激光模塊，同時(shí)能夠耦合進(jìn)200 μm 0.2NA 的光纖或400 μm, 0.1 NA的光纖。激光模塊有56個(gè)發(fā)射器部分組裝成，偏振耦合成兩個(gè)光束。兩組鏡片形成的望遠(yuǎn)鏡使光束勻稱，然后將其用一個(gè)多元物鏡聚焦。一個(gè)系統(tǒng)的光路圖顯示在圖5。該設(shè)備預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)降低成本，通過降低外殼，光學(xué)器件，和光纖的固定成本。 nLIGHT估計(jì)，使用高亮度單管激光二極管耦合這種系統(tǒng)，每瓦的價(jià)格可以減少40％以上。

圖。5：（上左），56個(gè)發(fā)射器模塊的光路圖, 設(shè)計(jì)來耦合功率超過500w的功率進(jìn)200 μm, 0.2 NA的光纖（右上）一個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)。 （中心）激光模塊的NA圖和斑點(diǎn)組圖，展示了將56個(gè)反射器到高效率的光纖耦合到這個(gè) BPP的可能性。 （下）數(shù)據(jù)表顯示了應(yīng)用超過72個(gè)反射器封裝的無焦點(diǎn)特性。輸出功率為700W的峰值功率可達(dá)到的最高峰值效率為60%.

   nLIGHT還開發(fā)了一種10個(gè)單管激光二極管的光纖耦合裝置，基于Pearl的結(jié)構(gòu)來耦合80W的光功率進(jìn)105 μm, 0.15 NA的光纖。光學(xué)模型，光路圖和數(shù)據(jù)表如下圖6所示。光學(xué)模型和生產(chǎn)出來的產(chǎn)品之間有極好的一致性，光纖耦合效率測得90％以上。

圖。6：（頂） 10個(gè)單管激光二極管的Pearl模塊能夠?qū)⒊�過80W功率，在0.12 NA時(shí)耦合進(jìn)105微米的光纖的光路圖, NA圖和斑點(diǎn)圖。兩個(gè)光束是使用偏振多路技術(shù)耦合起來的。 （下）這個(gè)激光模塊的數(shù)據(jù)表。設(shè)備的整個(gè)運(yùn)行范圍效率高于50%以上。

    nLIGHT還生產(chǎn)了79x- 808納米，9xx nm和15xx nm,基于14個(gè)單管激光二極管耦合進(jìn)105微米, 0.15 NA的光纖的設(shè)備。光學(xué)光路圖如下圖 7。79x納米的設(shè)備是為泵浦TM -摻鉺光纖激光器設(shè)計(jì)的，實(shí)現(xiàn)了人眼安全的光纖激光器KW級的縮放比例。這些設(shè)備耦合光功率超過70 W到這種光纖，具有效率大于40％和相應(yīng)的亮度13 MW/cm2-str。 15xx nm設(shè)備也展示了用在醫(yī)療應(yīng)用（除皺），Er:YAG激光泵浦和摻鉺光纖激光器泵浦。只用7個(gè)器件和一個(gè)單一的偏振，我們?nèi)〉昧顺�過15瓦的光功率。該裝置有一個(gè)相應(yīng)的亮度大于3.5 MW/cm2-str。我們認(rèn)為當(dāng)我們使用偏振光束耦合與這些激光二極管共同的偏振光，可以達(dá)到超過30瓦的光功率。最后，在9xx納米效率值接近50％，亮度值20 MW/cm2-str時(shí)，可以達(dá)到超過100瓦的光功率。

圖.7：（頂）14個(gè)單管激光二極管的Pearl模塊在9xx nm的光路圖, NA圖和斑點(diǎn)圖。（下）LIV曲線圖，對于耦合進(jìn)105微米，0.15 NA光纖各種設(shè)備。 （左下）對808 nm, 輸出功率超過70w耦合到一個(gè)105um, 0.15 NA的光纖的設(shè)備特性。 （底部中心）對15xx nm，輸出功率超過15w耦合到一個(gè)105um,0.15NA的光纖的結(jié)果。 （右下）對9xx nm的設(shè)備，輸出功率超過100w耦合到一個(gè)105um,0.15納米的光纖，測量到的亮度超過20 MW/cm2-str。

4.結(jié)論

    綜述，我們展示了80x至15xx納米的高亮度半導(dǎo)體激光模塊。這些產(chǎn)品可廣泛的用于各個(gè)領(lǐng)域,包括：光纖激光泵浦，泵浦固體激光器，醫(yī)學(xué)和材料加工。

 參考文獻(xiàn)

[1] S. Karlsen, et. al, “100-W, 105-μm, 0.15 NA fiber coupled laser diode module,” Proc. SPIE [7198-29], 2009.

[2] R. Martinsen, and M.  Frede, “Roadmaps  for semiconductor lasers give rise to a new generation of industrial material processing,” Forum Presentation, Laser Munich, 2007.

[3] L. Bao, et. al, “Reliability of high-performance 9xx-nm single emitter laser diodes,” Proc. SPIE [7583-01], 2010.

[4] J. Wang, et. al, “Reliability and performance of 808-nm single emitter multi-mode laser diodes,” Proc. SPIE [7583