高亮度光纤耦合泵浦激光器的发展终端器

高亮度光纤耦合泵浦激光器的发展

高亮度光纤耦合泵浦激光器的发展 2011年12月02日 来源： 摘要：文章将就nlight公司不断发展的高亮度激光二极管模块作一个报告。这些模块以nlight公司PearlTM产品平台为基础，在输出功率、亮度、波长稳定、波长性能方面显示突出优势。该系统基于十四个单管激光器，采用空间光聚焦方式将激光耦合到光纤芯径为105µm，数值孔径NA小于0.14的光纤。我们目前实现了超过100W的光功率在波长为9xx nm的二极管亮度超过了20MW/cm2-str,运行效率大约50%。另外结果也显示了超过70W的光耦合在8xx nm。也展示了在波长14xx nm和更长的波长有卓越的纪录的光纤耦合技术，其中功率超过15W，7.5mm-mrad的光束质量。这些高亮度，高效率，高波长稳定性的成果显示了下一代固体激光和光纤激光器所需的泵浦技术。关键词：光纤耦合二极管激光器、高亮度。 1.介绍高亮度光纤耦合二极管激光器打开了二极管激光器在工业和泵浦应用上新的应用领域。nLIGHT公司已展示了具有优越亮度的设备应用在各种工业和泵浦应用中。在 Photonics West 2009 展会上 nLIGHT公司介绍了高亮度光纤耦合激光器二极管模块，展示了超过100W光功率耦合进105µm，0.15 NA的光纤，相对应的亮度超过20 MW/cm2-str1。本文着重介绍了这项技术的应用在泵浦模块从79x 到15xx nm。一如往常，这些设备都是基于nLIGHT公司高功率大面积单管结构的专利，即自由空间组合的一个简洁和廉价的方法2。这种方法保留了激光二极管的功率和高亮度，造就具有最佳亮度和效率的设备。 2.高亮度泵浦激光器应用 对高亮度的激光模块结构发展的几点注意事项。首先，平台和工具必须与波长无关，使其适用于整个频谱激光二极管。其次，光设计的效率应尽可能高。最后，激光二极管模块的可靠性，必须充分被评估和验证。nLIGHT公司的高亮度激光二极管模块最初是为泵浦光纤激光器而研制。更高亮度泵浦源能够使更高功率的光纤激光器通过其性能空间地耦合更大数量的泵浦和更有效的将它们耦合到光纤中。脉冲光纤激光器也需要高亮度泵浦模块，以减少有源光纤长度和相应光纤的非线性。在脉冲光纤激光器设法处理好非线性以使激光器脉冲长度更短和峰值功率更高。 过去几年我们致力于解决泵浦应用包括以下几点： .Tm-doped 光纤激光器波长为795nm的泵浦应用 .Er-doped 光纤激光器波长为1532nm的泵浦应用 .Yb-doped 光纤激光器波长稳定装置976nm的泵浦应用 .窄光谱线的YAG (885 nm), Er:YAG (1532 nm), 和 Ho:YAG (1910 nm)的固态激光器的泵浦应用。 除泵浦应用外，高亮度的激光二极管模块可供选择的应用还有消费，材料加工，医疗领域等。在材料加工领域的目标是用直接二极管激光器来代替灯泵固态激光器，对于直接二极管激光系统相应效率大约从2％（灯泵浦装置）提高到超过40%。图1显示了半导体直接激光二极管的应用范围，从79x为19XXnm。

泵浦激光光纤耦合的电光转换工作效率直接二极管激光器模块具有显著效率，其效率大于50%在对于波长从79x到9xxnm之间制造的直接二极管激光器模块。高效率的光纤耦合激光设备在几个方面提高模块的性能。首先，高光光转换效率可以减少二极管激光器数量，从而可以降低模块成本。二极管激光器数量的减少也可以形成一个较小的封装尺寸，用更少的二极管和光学器件达到一定的光功率。该系统的高效率也可以简化冷却系统的降低多余热量的散热要求，如图2所示。最后，模块高效率可以使系统需要较少的电力，降低激光设备的运行费用。

除了高效率值，二极管激光系统设计也可以显示出极好的可靠性。近来高功率，多模单管激光二极管已经显示出来近似电信的可靠性。例如，nLIGHT已经研发了3.8毫米腔长的高功率二极管激光器，在10W3,4量级时FIT率低于亿分之45。此外，nLIGHT对单管激光器和光纤耦合封装还进行了广泛的可靠性测试。结果表明，众多的单个二极管相对光纤耦合二极管激光模块在统计上没什么区别。这是通过考核90% CL绘制的显示出的不稳定性的运行时间的单个二极管相对光纤耦合二极管激光模块封装，如图3所示。这一结果标示了缺乏封装诱发故障（PIF）。这些设备有一个时间到10％的失败率在运行30万至40万小时，在9xx纳米，假设多年免维护运行。

3. 高亮度泵浦激光器nLIGHT公司单管结构的灵活性可以被广泛的生产成各种各样的封装类型。这些二极管模块包括专为固体激光泵浦，光纤激光泵浦和材料加工而设计的。200um泵浦模块是为泵浦Tm光纤激光器，Nd:YAG固体激光器和掺镱光纤激光器而开发的。79x至88xnm的模块能够将超过100W CW耦合到200µm的光纤，0.15NA。在脉冲模式下工作，200W以上的峰值功率可耦合进同一光纤，光谱线低于2 nm FWHM。这一结果表明在脉冲模式下运行nLIGHT的光纤耦合二极管的峰值功率能够高于在连续模式运行功率100％。图4（左）显示了该设备的电流功率特性。 9xx nm的产品能够耦合光功率超过120W到200 μm光纤，NA小于0.1。在设备的整个运行范围里实现了效率大于50％，如图4所示（右）。这种装置有不到2％的光进入覆层，而且还可以生产出一个大于35 dB的1微米的隔离窗口。除了光纤激光泵浦，此设备可用于材料加工。

图。4：（左）LI曲线， 2 00 μm, 0.15 NA的泵浦模块用于泵浦波长从79x 到88x nm。该器件可工作在脉冲模式，以达到约使用连续可用功率时一倍的功率。 （右）9xx nm，200μm, 0.1 NA的泵浦模块LIV特性。这些产品可作为激光泵浦模块以及材料处理应用。当需要更高的功率，nLIGHT正在生产一种基于单管激光二极管的大封装高功率产品。这种封装是专为光功率超过600瓦耦合到一个400微米，0.2 NA的光纤，或超过500W耦合到200微米，0.2 NA的光纤。该设备也被设计成具有高度的可配置性，有独立的光学和激光模块，同时能够耦合进200 μm 0.2NA 的光纤或400 μm, 0.1 NA的光纤。激光模块有56个发射器部分组装成，偏振耦合成两个光束。两组镜片形成的望远镜使光束匀称，然后将其用一个多元物镜聚焦。一个系统的光路图显示在图5。该设备预计可实现降低成本，通过降低外壳，光学器件，和光纤的固定成本。 nLIGHT估计，使用高亮度单管激光二极管耦合这种系统，每瓦的价格可以减少40％以上。

图。5：（上左），56个发射器模块的光路图, 设计来耦合功率超过500w的功率进200 μm, 0.2 NA的光纤（右上）一个机械设计实现这个系统。 （中心）激光模块的NA图和斑点组图，展示了将56个反射器到高效率的光纤耦合到这个 BPP的可能性。 （下）数据表显示了应用超过72个反射器封装的无焦点特性。输出功率为700W的峰值功率可达到的最高峰值效率为60%. nLIGHT还开发了一种10个单管激光二极管的光纤耦合装置，基于Pearl的结构来耦合80W的光功率进105 μm, 0.15 NA的光纤。光学模型，光路图和数据表如下图6所示。光学模型和生产出来的产品之间有极好的一致性，光纤耦合效率测得90％以上。

图。6：（顶） 10个单管激光二极管的Pearl模块能够将超过80W功率，在0.12 NA时耦合进105微米的光纤的光路图, NA图和斑点图。两个光束是使用偏振多路技术耦合起来的。 （下）这个激光模块的数据表。设备的整个运行范围效率高于50%以上。nLIGHT还生产了79x- 808纳米，9xx nm和15xx nm,基于14个单管激光二极管耦合进105微米, 0.15 NA的光纤的设备。光学光路图如下图 7。79x纳米的设备是为泵浦TM -掺铒光纤激光器设计的，实现了人眼安全的光纤激光器KW级的缩放比例。这些设备耦合光功率超过70 W到这种光纤，具有效率大于40％和相应的亮度13 MW/cm2-str。 15xx nm设备也展示了用在医疗应用（除皱），Er:YAG激光泵浦和掺铒光纤激光器泵浦。只用7个器件和一个单一的偏振，我们取得了超过15瓦的光功率。该装置有一个相应的亮度大于3.5 MW/cm2-str。我们认为当我们使用偏振光束耦合与这些激光二极管共同的偏振光，可以达到超过30瓦的光功率。最后，在9xx纳米效率值接近50％，亮度值20 MW/cm2-str时，可以达到超过100瓦的光功率。

图.7：（顶）14个单管激光二极管的Pearl模块在9xx nm的光路图, NA图和斑点图。（下）LIV曲线图，对于耦合进105微米，0.15 NA光纤各种设备。 （左下）对808 nm, 输出功率超过70w耦合到一个105um, 0.15 NA的光纤的设备特性。 （底部中心）对15xx nm，输出功率超过15w耦合到一个105um,0.15NA的光纤的结果。 （右下）对9xx nm的设备，输出功率超过100w耦合到一个105um,0.15纳米的光纤，测量到的亮度超过20 MW/cm2-str。 4.结论综述，我们展示了80x至15xx纳米的高亮度半导体激光模块。这些产品可广泛的用于各个领域,包括：光纤激光泵浦，泵浦固体激光器，医学和材料加工。 参考文献[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

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