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本文中基于空间合束技术,使用反射镜组,在快轴上对光斑进行折叠,并在慢轴上叠加两个相同激光单元,减少死区面积。采用偏振合束将两个相同光斑进行叠加,实现功率倍增,同时不影响光束质量。使用柱面凹透镜和柱面凸透镜的光束整形方法,实现光斑较短边扩束,得到正方形光斑,整体设计如图 1所示。此设计保留了后续光束叠加的可能性,能够匀化快慢轴光束质量,进一步提升功率,实现光纤耦合输出。
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蓝光单管激光器光束质量好,然而其发光功率较小,当前二极管单管功率仅为5 W,无法满足直接应用要求。因此,采用多发光点阵列排布激光器成为1种较为理想的选择。使用150 W多发光点阵列式蓝光激光单元作为光源模块,光束质量用光参量积(beam-parameter product, BPP)来表示,即为光束束腰半径与光束发散半角的乘积[19-21],对于本文中所用的阵列式多发光点输出单元,相关参数如表 1所示。光束在快慢轴方向上光束质量相差过大,单个激光单元光参量积为快轴28 mm·mrad,慢轴0.99 mm·mrad。
表 1 激光单元的结构参数
Table 1. Structure parameters of the laser diode unit
parameter type central wavelength 455 nm output power 155 W emitter spatial period (//) 2.3 mm emitter spatial period (⊥) 6 mm number of emitters (//) 7 number of emitters(⊥) 4 slow axis divergence <7 mrad fast axis divergence <0.18 mrad polarization(transverse electric modes) >97% 图 2为本文中所使用的单个激光单元相关数据。图 2a为光斑轮廓图,可观察到光斑之间存在较大“死区” (光斑间隙),影响光束质量。图 2b和图 2c为发光阵列在温度T是25 ℃和75 ℃下输出功率、输出电压与输出电流之间关系,可观察到功率与电流呈线性关系,且在较低温度下,同一电流下的输出电压和输出功率较高,可见温度对输出性能有显著影响。
对于表 1中列出的多阵列发光单元,每个发光点都可看作1个小型半导体激光器,其增益谱宽较大,产生多纵模振荡;空间模式可以分为光场沿横向、侧向分布的横模和侧模。由于有源区厚度很小,输出横模受限,常为单模工作;而侧模因有源区宽度较大产生多模式输出。对其模式特性进行研究,不同模式对应的辐射场可进行拟合[22]:
$ \begin{gathered} E_{m, l}(x, t)= \\ \left\{\begin{array}{l} A_{m, l} \cos \left(\frac{\pi l x}{W}\right) \cos \left(\frac{2 \pi c t}{\lambda_{m, l}}\right), (l \in 1, 3, 5, \cdots) \\ A_{m, l} \sin \left(\frac{\pi l x}{W}\right) \sin \left(\frac{2 \pi c t}{\lambda_{m, l}}\right), (l \in 2, 4, 6, \cdots) \end{array}\right. \end{gathered} $
(1) 式中:x对应侧向坐标;t为时间;Am, l表示模式在侧向和纵向的复振幅;W为侧向增益区宽度;c为光速;整数m(取0, 1, 2, …)为相应纵向模式阶数;l(取1, 2, 3,…)为侧向模式阶数; 导模波长λm, l[22]可以表示为:
$ \lambda_{m, l}=\lambda_{0, 1} \frac{\lambda_{0, 1}}{2 n_{\mathrm{g}}}\left[\frac{m}{L} \lambda_{0, 1}+\frac{\left(l^2-1\right) \lambda_{0, 1}{ }^2}{2 n W^2}\right] $
(2) 式中:λ0, 1表示m=0且l=1时的导模波长;L为增益区长度;n为波导有效折射率;ng为群折射率。将所有模式对应辐射场Em, l(x, t)叠加,总辐射场分布可描述为[22]:
$ E_{\Sigma}(x, t)=\sum\limits_{m_0-M / 2}^{m_0+M / 2} \sum\limits_1^l E_{m, l}(x, t) $
(3) 式中:M为获得激发的纵模数目;m0为增益中心纵模阶数。
如图 3所示,在阈值电流(0.32 A)下对单个发光点模式进行测量,由于电流较小,只有4组纵模组被激发,近场模式分布如图 3a所示,激光能量主要集中在纵模组1、2、3、4内,且主要分布于纵模组3和4的中间两个光斑中。纵模组1、2为左侧3个光斑及右侧两个光斑的组合,符合侧模模式理论中l为2阶和3阶;l=1阶及l>3阶模式因能量占比少,无法被观测到。纵模组3和4表现为4个几乎并列光斑,中间两光斑尺寸较大,能量较高,是由于3、4纵模组l=2阶侧模都与相邻纵模组l=4阶模式发生重叠,且能量在各个模式中分布不均;中间两光斑能量是l=2阶两个模式与l=4阶侧模中间两模式能量叠加,因而光斑亮度高、能量大。在远场图像(见图 3b)中,因图 3a中纵模组1、2本身能量较小,经历傅里叶变换后进一步衰减,图像中只出现纵模组3、4。近场模式经过傅里叶变换后,l阶侧模退化为双峰结构,除l=1阶侧模是1个光斑外,l阶侧模均为2个光斑,远场模式结构主要是一个纵模组的l为1、2、3和4阶侧模的双峰结构,并且在l=4阶侧模位置处,存在另一相邻纵模组的l=2阶侧模。由此可见,每个发光点中模式转化为具有波长和空间位置的平面模式结构后,具有周期性的模式空间规律[23]。
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实验中所使用多阵列激光光单元准直方式为使用快慢轴一体式准直镜,由于LD特性,快轴发光长度(1 μm)相对较小,发散角较大(40°~50°),而慢轴发光长度较大(15 μm),发散角较小(8°~10°)。准直后快轴光斑显著大于慢轴光斑,且快轴方向发散角明显小于慢轴方向,观测到结果与理论相符。图 4a为快轴空间合束示意图。快轴发光点间距6 mm, 光斑大小4 mm~4.5 mm,为压缩快轴方向发光死区,使用阶梯状分离式反射镜组。使用4个29 mm×7.5 mm方片反射镜,在快轴方向以5 mm间距阶梯式斜放,使其与光束传播方向成45°,在改变光线方向的同时将快轴发光死区压缩3 mm。需要注意的是,考虑到机械结构、装配误差及实际光斑大小差异产生的挡光、漏光现象,进而导致功率衰减和漫反射引起安全问题,实际压缩死区大小会稍小于理论上死区。快轴整形后光参量积为0.855 mm·mrad,光斑轮廓如图 4b所示。
对于光斑慢轴,发光点之间距离较大且准直后发散角较大,本文中基于两个独立激光单元进行空间合束,通过特制镀膜反射镜片叠加光束,实现光斑重叠并使功率翻倍。图 5a展现慢轴空间合束过程。经过快轴整形后两个激光单元A和B的光束在慢轴方向上通过一个特制玻璃板进行叠加。为确保慢轴方向上发光死区被完全填充,避免挡光所导致的功率损耗,在玻璃板上交替排列7对镀有450 nm高反膜的方形区域和中空方形区域,实现两个激光单元光束透反交错传播。玻璃板位于两单元中间,确保两个单元光程一致。受慢轴发散角影响,玻璃板与发光单元距离不应过大,选择为50 mm。在这个距离,每个发光点光斑宽度相等,且与相应方形区域透射和反射部分相对应。单个发光点光斑宽度1.1 mm,每对方形区域中反射区宽1.2 mm,中空区宽1.1 mm。光斑可绝大部分通过玻璃板并形成高效率叠加。在长度方面,玻璃板与光路呈45°放置,玻璃板长度需超过光斑快轴大小2倍。图 5a以7对交错光中1对为例说明两个单元合束过程。单元A光束直接透射通过玻璃板中空部分,单元B光束在玻璃板上镀膜部分发生反射,使光束产生90°转向,与单元A光束以相同传播方向从玻璃板出射。两组激光充分填充光斑间空隙,增加总体功率且不改变总光斑大小,提高整体功率密度。慢轴方向经过空间合束后光斑轮廓如图 5b所示,可以观察到死区基本已填充,慢轴光束质量28 mm·mrad。
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根据表 1中的数据,所使用的激光单元输出97%横电(transverse electric, TE)模单偏振光,偏振方向与慢轴平行,属于p光。对于激光偏振特性,可用以下3个参量来描述:
$ \left\{\begin{array}{l} I_m=\left|E_m^{-}\right|^2+\left|E_m^{+}\right|^2 \\ \sin (2 \theta)=\frac{\left|E_m^{-}\right|^2-\left|E_m^{+}\right|^2}{\left|E_m^{-}\right|^2+\left|E_m^{+}\right|^2} \\ V_m=\frac{1}{2} \arg \left(E_m^{+}+E_m^{-}\right) \end{array}\right. $
(4) 式中:对于模m,Im表示光强; sin(2θ)描述偏振度;Vm为偏振方向与水平坐标轴角度;Em-和Em+为激光的两个正交分量。对于本文中所使用激光单元,发出的是单模线偏振光,将单元A和单元B光斑通过空间合束后,引入单元C和单元D,结构与单元A和B相同,在光路中添加一个光轴与偏振方向成45°的半波片,使得单元C和D输出激光偏振方向改变90°,由p光变为s光。
如图 6a所示,4个激光单元光束交汇处放置1个薄膜干涉型偏振合束器。合束器由棱镜对组成,棱镜重合处镀有多层折射率不同的介质膜,当p光以布儒斯特角入射时,在薄膜上反射率为0,实现完全透射;相对的,s光在薄膜上发生全反射,实现两个方向上激光束完全重合。通过偏振合束技术,提高功率密度且理论输出功率达到500 W。
经过偏振合束后,理论出口处获得16 mm×20 mm长方形光斑。为方便输出,本文中提出光束整形方法,设计伽利略扩束系统对较短一边进行扩束,使输出光斑为正方形。相较于开普勒扩束系统,伽利略扩束系统由1个负透镜和1个正透镜组成,两者之间距离为两透镜焦距差。伽利略式系统较紧凑,可最小化整形系统导致像差。而开普勒扩束系统中光束在两个透镜之间产生1个焦点,较少用于处理高能量光束。
扩束结构如图 6a所示,选择焦距-75 mm柱面凹透镜及焦距100 mm柱面凸透镜组组成扩束系统。光束在X方向上得到1.33倍扩束,而在Y方向上光线大小保持不变,最终获得20 mm×21 mm近正方形光斑,如图 6b所示。
使用空间合束与偏振合束,对4个激光单元进行低损耗组合叠加与光束整形,通过柱面镜光束整形系统,输出完整正方形光斑,最终得到超过500 W、光斑20 mm×21 mm的准直光斑。
基于合束的500W蓝光半导体激光模块化研究
Research on modularization of 500 W blue semiconductor laser based on beam combination
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摘要: 为了满足新能源汽车电池制造、航空航天高反射材料铜的焊接和金属3-D打印领域的应用需求,采用空间合束以及偏振合束方法,研制出基于150 W阵列式蓝光单元的500 W蓝光半导体激光模块。实现了快轴上发光单元内部的光束叠加、慢轴上多个发光单元交叉加密输出,消除发光死区,将4个独立发光单元的激光合束为一个方形光斑,增加功率密度而不影响光束质量;并研究了激光模块热效应与冷却特性,设计出激光模块稳定输出方案。结果表明,最终输出蓝光激光快轴发散角0.4°,慢轴发散角0.02°,发光功率501 W,整体效率81.3%,功率波动小于0.7%。本研究成果为进一步研制4 kW大功率蓝光半导体激光器提供了基本合束模块。Abstract: In order to meet the needs in thigh-reflecting copper welding and metal 3-D printing in aerospace and new energy vehicle battery manufacturing, a 500 W blue semiconductor laser module based on four 150 W array blue light units was developed by using spatial beam combining and polarization beam combining methods. Spatial beam combining technology has been used to independently compress the spot on the fast and slow axis to eliminate luminescent dead zone. Using polarization beam combining technique, we can successfully combine 4 independent light-emitting arrays into one single beam, increasing power density without deteriorating the beam quality or the divergence angle. In addition, a specific water-cooling system for the blue laser module was designed to meet the stability working condition for various industrial applications. Finally, thanks to the method above with the beam combining efficiency of 81.3%, a 501 W output with power fluctuations less than 0.7%, a fast (slow)-axis divergence angle of 0.4° (0.02°) has been obtained. In the follow-up research, one may expect the development of 4 kW-level high-power blue semiconductor lasers with coupled in optical fiber for output.
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Key words:
- laser optics /
- blue semiconductor laser /
- beam shaping /
- spatial combining /
- polarization combining
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表 1 激光单元的结构参数
Table 1. Structure parameters of the laser diode unit
parameter type central wavelength 455 nm output power 155 W emitter spatial period (//) 2.3 mm emitter spatial period (⊥) 6 mm number of emitters (//) 7 number of emitters(⊥) 4 slow axis divergence <7 mrad fast axis divergence <0.18 mrad polarization(transverse electric modes) >97% -
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