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高功率、高亮度、轻量化半导体激光泵浦源

来源：发布时间：2022-04-02 浏览量：

beat365亚洲体育曾提出了密集空间排列理论（DSBC）并通过千瓦级泵浦源的实验验证了DSBC的正确性。目前，单管功率已经提升至15W-30W@BPP≈5-12mm*mrad且电光效率>60%的水平，这使得光纤耦合输出的高功率泵源在维持高亮度输出的同时，减小体积、降低重量、提升电光转化效率成为可能。

beat365亚洲体育利用当前芯片，分别实现了芯径135μm NA0.22光纤耦合输出420W波长锁定976nm，质量≈500g的泵源；以及芯径220μm NA0.22光纤耦合输出1000W单波长976nm（或者915nm），质量≈400g的泵源。

未来，随着半导体芯片亮度和电光效率的提升，轻量化、高功率泵源在小体积高功率光纤激光光源制造中将发挥重要的作用，并积极推动国防和工业应用的发展。

引言

因其出色的光束质量和灵活的功率扩展能力（光纤合束器），光纤激光器迅速发展。近年来，单模单纤光纤激光器受限于TMI（横向模式不稳定性）和SRS效应，半导体直接泵浦的光纤激光振荡器功率止步于5kW[1]，级联泵浦（Tandem pumping）光纤激光放大器也停在了10kW[2]，虽然可以通过适当增加纤芯直径的方式提升输出功率，但输出光束质量也随之下降-1。尽管如此，半导体泵浦源亮度提升的需求依旧紧迫。

工业加工应用对光束质量的要求并非一定是单模，为了提升单纤功率，允许少许低阶模式的存在，截至目前，基于976nm泵浦的5kW以上的少模单纤及合束多模激光光源有了批量应用（主要是金属材料的切割和焊接），相应高功率泵浦源的生产也实现了批量化。

半导体芯片BPP和泵浦源亮度的关系

3年前，9xxnm芯片的亮度大都处于3W/mm*mrad@12W-100μm条宽 & 2W/mm*mrad@18W-200μm条宽的水平。基于此类芯片，beat365亚洲体育实现了600W和1000W200μm NA0.22光纤耦合输出-1。

目前，9xxnm芯片亮度已经实现3.75W/mm*mrad@15W-100μm条宽 & 3W/mm*mrad@30W-230μm条宽，电光效率基本维持在60%附近。

根据密集空间排列理论[6]，按照光纤耦合效率均值78%（从芯片发射激光到光纤耦合输出：单波长空间合束和偏振合束，不带VBG）计算，且假设芯片工作在高功率（不同电流时的芯片BPP不同），我们整理了一份数据图，如下：

芯片亮度VS不同芯径光纤耦合输出功率

从上图可以发现，对于确定的光纤（芯径和NA固定）达到特定功率的耦合输出时，对于不同亮度的芯片，数量不同，泵浦源的体积、重量也不同。对于光纤激光器的泵浦需求，选择以上不同亮度的芯片制成的泵源，同等功率的光纤激光器的重量和体积截然不同，水冷系统的配置也有较大差异。

高效率、小体积、轻质化是未来激光光源（无论半导体激光、固体激光还是光纤激光）发展的必然趋势，而半导体芯片的亮度、效率和功率在其中起了决定性作用。

轻质化、高亮度、高功率泵浦源

为了适配光纤合束器，我们选择了常用光纤规格：135μm NA0.22和220μm NA0.22，两种泵源的光学设计均采用了密集空间排列和偏振合束。

其中420WLD采用了3.75W/mm*mrad@15W芯片和135μm NA0.22光纤，并进行了VBG波长锁定，满足30-100%功率锁波要求，电光效率41%。LD机身采用铝合金材料和三明治结构[5],上、下两面的芯片共用水冷通道，提升了空间利用率，光斑排列、光谱和功率输出（光纤内功率）如图所示：

420W@135μm NA0.22 LD

我们选取了6只LD进行高低温冲击和振动测试，测试数据如下：

高低温冲击测试

振动测试

1000WLD采用了3W/mm*mrad@30W芯片和220μm NA0.22光纤，分别实现了915nm和976nm光纤耦合输出1000W，电光效率＞44%。LD机身同样采用了铝合金材料，为了追求更高的功质比，在保证结构强度的条件下，对LD外壳做了精简处理，LD质量、光斑排列以及输出功率（光纤内功率）如下图：

1000W@220μm NA0.22 LD

为了提升泵源的可靠性，耦合端光纤采用了石英端帽熔接和包层光滤除技术，这使得泵源外的光纤温度处于室温附近。6只976nmLD被选取用来做高低温冲击和振动测试，测试结果如下：

高低温冲击测试

振动测试

结论

实现高亮度输出要以牺牲电光效率为代价，即最高输出功率和最高电光效率不能同时获得，这是由芯片亮度和耦合光纤的归一化频率决定的。在多单管空间合束技术中，亮度和效率始终是不可兼得的目标。电光效率和功率的平衡选择要根据具体的应用确定，侧重不同，选择固然有差异。

参考文献

[1] Mller Friedrich, Krmer Ria G., Matzdorf Christian, et al, “Multi-kW performance analysis of Yb-doped monolithic single-mode amplifier and oscillator setup,” Fiber Lasers XVI: Technology and Systems (2019).

[2] Gapontsev V, Fomin V, Ferin A, et al, “Diffraction Limited Ultra-High-Power Fiber Lasers,” Advanced Solid-state Photonics (2010).

[3] Haoxing Lin, Li Ni, Kun Peng, et al, “China's domestically produced YDF doped fiber laser achieved 20kW output from a single fiber,” Chinese Journal of Lasers, 48(09),(2021).

[4] Cong Gao, Jiangyun Dai, Fengyun Li, et al, “Homemade 10-kW Ytterbium-Doped Aluminophosphosilicate Fiber for Tandem Pumping,” Chinese Journal of Lasers,47(3),(2020).

[5] Dan Xu, Zhijie Guo, Tujia Zhang, et al, "600 W high brightness diode laser pumping source," Spie Laser,1008603,(2017).

[6] Dan Xu, Zhijie Guo, Di Ma, et al, "High brightness KW-class direct diode laser," High-power Diode Laser Technology XVI, High-Power Diode Laser Technology XVI, (2018).