红外与激光工程
2023, 52(3): 20220446
1 空军装备部驻北京地区军事代表局驻天津地区第三军事代表室, 天津
2 北京工业大学, 北京
半导体激光器自发明以来, 凭借其自身高稳定性、高光电转换效率、体积小等优势被广泛应用在各个领域, 但是由于其快慢轴光束质量差异较大, 影响了其应用范围。密集波长合束技术作为一种有效提高半导体激光亮度的方法, 是当前的研究热点。文中分析了国内外高功率、高光束质量半导体激光器密集波长合束技术发展状况, 讨论了合束技术特点, 展望了发展趋势。
半导体激光器 密集波长合束 光束质量 diode laser dense wavelength beam combining beam quality
1 北京工业大学材料与制造学部 先进半导体光电技术研究所, 北京 100124
2 中国电子科技集团公司第五十三研究所, 天津 300308
在半导体激光器的光纤耦合系统中, bar条的各发光点指向偏差(偏向角)会恶化光束整形效果, 显著降低光纤耦合效率。针对该现象提出利用引入修正角的楔形整形镜补偿发光点的指向偏差, 改善激光束的指向性和光束整形效果。通过ZEMAX软件模拟与实验验证,在光纤耦合系统中使用引入修正角后的楔形整形镜片, 其整形效果显著改善, 测量的光束参数积(BPPs)在快轴和慢轴方向分别为7.25 mm·mrad和5.05 mm·mrad, 聚焦光斑为148 μm×135 μm(包含90%能量)。该系统将单个bar条耦合进芯径200 μm、数值孔径(NA)0.2的光纤中, 在注入电流60 A时, 获得稳定输出功率53 W, 对应电-光转换效率为47%, 光纤耦合效率为87%, 相对于使用修正前的楔形整形镜片, 光纤耦合效率提高了7%。
半导体激光器 楔形整形镜 光束整形 光纤耦合 diode laser bars wedge-shaped lens beam shaping fiber coupling
北京工业大学 激光工程研究院，先进半导体光电技术研究所，北京 100124
为了进一步提高多单管半导体激光器的输出功率，通过对常见的阶梯型多单管半导体阵列进行分析，提出在光斑尺寸较小的慢轴方向对光束进行填充，在同样的耦合条件下，使更多的激光能量耦合进光纤中，实现更高功率的输出。文中使用光参数积作为评价光束质量的指标，论证了慢轴光束填充的可行性，利用ZEMAX仿真软件对8路常见阶梯型多单管半导体阵列和12路填充阵列进行对比仿真，在不影响耦合效率的前提下，实现了将12路波长为860 nm、输出功率3 W的单管半导体激光器耦合进芯径105 μm、数值孔径0.22的光纤中，光纤输出功率为33.4 W，光纤耦合效率为92.78%。仿真结果表明，对慢轴方向进行光束填充可以在一定程度上提高多单管半导体激光的功率输出。
单管半导体激光器 空间合束 光纤耦合 ZEMAX single emitter diode laser spatial combination ZEMAX fiber coupling 强激光与粒子束
2020, 32(7): 071005
北京工业大学 激光工程研究院, 北京 100020
为满足实际工程、生产应用中专业及非专业人员对故障光纤激光器快速修理、修复的需要, 研究了一种能够实现快速故障模式及故障原因分析系统。首先, 采集实际使用与实验中损坏激光器的故障模式与故障原因记录为数据样本。接着, 利用故障树与故障模式影响及危害性分析模型建立光纤激光器扩展故障树, 即构建起故障模式与故障原因的对应关系。然后, 利用贝叶斯网络分析并得出各故障模式与故障原因的先验概率与后验概率计算方法, 再使用Python语言编写交互式窗口, 并完成对数据库数据的调用与相应概率计算。最后, 通过交互式界面输出当前故障对应的可能故障原因及发生概率, 从而实现对光纤激光器故障的快速分析。程序模拟耗时小于1 s, 模拟结果与统计结果相吻合, 基本满足指导相关人员对故障快速排查并修理的要求。
光纤激光器 故障树 故障模式影响及危害性分析 fiber laser fault tree analysis failure mode effect criticality analysis Python Python
北京工业大学 激光工程研究院, 北京 100124
为了压缩MOPA全光纤调Q激光器脉冲宽度, 对谐振腔基本参数进行了研究。首先, 根据速率方程理论推导出脉冲宽度的表达式, 通过数值解建立表达式参数与脉冲宽度的关系。然后, 分析增益光纤长度、腔镜输出透过率、Q开关性能等谐振腔基本参数对全光纤调Q种子源输出脉冲宽度的影响并通过实验来逐一验证结果。最后, 通过优化的参数搭建全光纤调Q激光器, 在重复频率为20 kHz时, 得到脉冲宽度为54 ns、平均功率为0.86 W的种子激光输出。在重复频率为100 kHz时, 对脉宽142 ns、平均功率为1.66 W的种子光进行预放大和功率主放大, 最终得到平均功率120 W、脉宽180 ns、光谱宽度为0.67 nm的稳定脉冲激光输出。通过提升AOM性能、减小增益光纤长度等参数优化方式构建调Q光纤激光器, 能有效压缩谐振腔内脉冲宽度。
脉冲宽度 全光纤 调Q pulse width all-fiber Q-switched
北京工业大学 激光工程研究院, 北京 100124
采用外建激光谐振腔, 在低于原芯片阈值的电流激励下对LDA的每个发光点进行单独测量, 从而分析整个半导体激光阵列(LDA)的smile效应。实验中利用镀膜反射率大于半导体前腔面的外腔镜形成外腔半导体激光器。在外腔中插入曲面平行于p-n结的柱面镜, 使只在光轴上的发光点与外腔镜形成外腔激光器, 降低该发光点的激光阈值, 从而使其在正常的阈值以下的电流激励下输出激光, 在平行于p-n结的方向移动柱面镜, 可以逐个对半导体激光器中的发光点进行选择测量, 从而获得LDA smile效应的测量值。测量中的低电流激励产生的热量对芯片寿命没有影响, 对LDA的发光点的单个测量也避免了其他发光点对CCD的影响。
半导体激光器 外腔反馈 smile效应 diode laser external cavity feedback smile effect
1 中国电子科技集团公司光电研究院, 天津 300308
2 北京工业大学 激光工程研究院, 北京 100124
反射光损伤影响了大功率半导体激光器在工业加工中的进一步应用, 为了解决大功率半导体激光器工业应用中遇到的问题, 对大功率半导体激光器防反射光损伤技术的研究具有重要意义。利用半导体激光线偏振光的特性, 采用偏振分光镜和λ/4波片的组合装置, 实现大功率半导体激光器的主动防反射光损伤; 结合利用光电监测单元对反射光强度进行监测, 反射光强度高于损伤阈值时, 关闭激光输出, 实现被动防反射光损伤, 研制出了既具有主动防反射光损伤功能又具有被动防反射光损伤功能的防反射光损伤装置, 可应用于工业加工用的大功率半导体激光器中。
大功率半导体激光器 防反射光损伤 主被动结合 high power diode laser anti-reflective laser damage combination of active and passive
针对锥形半导体激光器中的脊形波导区宽度较小的问题, 对半导体激光芯片制造中的刻蚀标记及刻蚀方法进行了研究。提出对于锥形半导体刻蚀中的脊型区域和锥形区域, 采用不同精度的双标记刻蚀方法, 细化对脊形波导和锥形波导的刻蚀中的对准问题, 并使光刻标在不同的光刻版上相错位排列, 在相应光刻版中相互遮挡, 反复刻蚀中保证相应的光刻标清晰、完整。刻蚀后的芯片在电流为7 A时获得了中心波长963 nm、连续功率4.026 W、慢轴方向和快轴方向激光光束参数乘积分别为1.593 mm·mrad和0.668 mm·mrad的激光输出。
锥形半导体激光器 脊形波导 光刻标 芯片刻蚀 tapered diode laser ridge waveguide photolithography alignment marks wafer photoetching
北京工业大学 激光工程研究院, 北京 100124
介绍了由双量子阱非对称波导结构外延片刻蚀成的带有脊形波导结构的锥形半导体激光器。该激光器有效抑制了p型区域对激光的影响, 减小了半导体激光快轴方向的发散角, 同时采用脊形结构和锥形结构的组合获得了高亮度激光。实验中, 在电流7 A时获得了中心波长963 nm、连续功率4.026 W的激光输出。测得慢轴方向和快轴方向激光光束参数乘积分别为1.593 mm·mrad 和0.668 mm·mrad。
半导体激光器 锥形波导 脊形波导 高亮度 高光束质量 diode laser tapered waveguide ridge waveguide high brightness high beam quality
