摘要

        文章將就nlight公司不斷發展的高亮度激光二極管模塊作一個(ge) 報告。這些模塊以nlight公司PearlTM產(chan) 品平台為(wei) 基礎，在輸出功率、亮度、波長穩定、波長性能方麵顯示突出優(you) 勢。該係統基於(yu) 十四個(ge) 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(wei) 105µm，數值孔徑NA小於(yu) 0.14的光纖。我們(men) 目前實現了超過100W的光功率在波長為(wei) 9xx nm的二極管亮度超過了20MW/cm2-str,運行效率大約50%。另外結果也顯示了超過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錄的光纖耦合技術，其中功率超過15W，7.5mm-mrad的光束質量。這些高亮度，高效率，高波長穩定性的成果顯示了下一代固體(ti) 激光和光纖激光器所需的泵浦技術。

 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(ye) 和泵浦應用上新的應用領域。nLIGHT公司已展示了具有優(you) 越亮度的設備應用在各種工業(ye) 和泵浦應用中。

       在 Photonics West 2009 展會(hui) 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105µm，0.15 NA的光纖，相對應的亮度超過20 MW/cm2-str1。本文著重介紹了這項技術的應用在泵浦模塊從(cong) 79x 到15xx nm。一如往常，這些設備都是基於(yu) nLIGHT公司高功率大麵積單管結構的專(zhuan) 利，即自由空間組合的一個(ge) 簡潔和廉價(jia) 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備。

2.高亮度泵浦激光器應用

      對高亮度的激光模塊結構發展的幾點注意事項。首先，平台和工具必須與(yu) 波長無關(guan) ，使其適用於(yu) 整個(ge) 頻譜激光二極管。其次，光設計的效率應盡可能高。最後，激光二極管模塊的可靠性，必須充分被評估和驗證。

      nLIGHT公 司的高亮度激光二極管模塊最初是為(wei) 泵浦光纖激光器而研製。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量的泵浦和更有效的將它們(men) 耦合到光纖中。脈衝(chong) 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光纖的非線性。在脈衝(chong) 光纖激光器設法處理好非線性以使激光器脈衝(chong) 長度更短和 峰值功率更高。

 過去幾年我們(men) 致力於(yu) 解決(jue) 泵浦應用包括以下幾點：

  .Tm-doped 光纖激光器波長為(wei) 795nm的泵浦應用

  .Er-doped 光纖激光器波長為(wei) 1532nm的泵浦應用#p#分頁標題#e#

  .Yb-doped 光纖激光器波長穩定裝置976nm的泵浦應用

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

        除泵浦應用外，高亮度的激光二極管模塊可供選擇的應用還有消費，材料加工，醫療領域等。在材料加工領域的目標是用直接二極管激光器來代替燈泵固態激光器，對於(yu) 直接二極管激光係統相應效率大約從(cong) 2％（燈泵浦裝置）提高到超過40%。圖1顯示了半導體(ti) 直接激光二極管的應用範圍，從(cong) 79x為(wei) 19XXnm。

泵浦激光光纖耦合的電光轉換工作效率

        直接二極管激光器模塊具有顯著效率，其效率大於(yu) 50%在對於(yu) 波長從(cong) 79x到9xxnm之 間製造的直接二極管激光器模塊。高效率的光纖耦合激光設備在幾個(ge) 方麵提高模塊的性能。首先，高光光轉換效率可以減少二極管激光器數量，從(cong) 而可以降低模塊成 本。二極管激光器數量的減少也可以形成一個(ge) 較小的封裝尺寸，用更少的二極管和光學器件達到一定的光功率。該係統的高效率也可以簡化冷卻係統的降低多餘(yu) 熱量 的散熱要求，如圖2所示。最後，模塊高效率可以使係統需要較少的電力，降低激光設備的運行費用。

        除了高效率值，二極管激光係統設計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顯示出來近似電信的可靠性。例如，nLIGHT已經研發了3.8毫米腔長的高功率二極管激光器，在10W3,4量級時FIT率低於(yu) 億(yi) 分之45。此外，nLIGHT對單管激光器和光纖耦合封裝還進行了廣泛的可靠性測試。結果表明，眾(zhong) 多的單個(ge) 二極管相對光纖耦合二極管激光模塊在統計上沒什麽(me) 區別。這是通過考核90% CL繪製的顯示出的不穩定性的運行時間的單個(ge) 二極管相對光纖耦合二極管激光模塊封裝，如圖3所示。這一結果標示了缺乏封裝誘發故障（PIF）。這些設備有一個(ge) 時間到10％的失敗率在運行30萬(wan) 至40萬(wan) 小時，在9xx納米，假設多年免維護運行。

3. 高亮度泵浦激光器

     nLIGHT公司單管結構的靈活性可以被廣泛的生產(chan) 成各種各樣的封裝類型。這些二極管模塊包括專(zhuan) 為(wei) 固體(ti) 激光泵浦，光纖激光泵浦和材料加工而設計的。

      200um泵浦模塊是為(wei) 泵浦Tm光纖激光器，Nd:YAG固體(ti) 激光器和摻鐿光纖激光器而開發的。79x至88xnm的模塊能夠將超過100W CW耦合到200µm的光纖，0.15NA。在脈衝(chong) 模式下工作，200W以上的峰值功率可耦合進同一光纖，光譜線低於(yu) 2 nm FWHM。這一結果表明在脈衝(chong) 模式下運行nLIGHT的光纖耦合二極管的峰值功率能夠高於(yu) 在連續模式運行功率100％。圖4（左）顯示了該設備的電流功率特性。 9xx nm的產(chan) 品能夠耦合光功率超過120W到200 μm光纖，NA小於(yu) 0.1。在設備的整個(ge) 運行範圍裏實現了效率大於(yu) 50#p#分頁標題#e#％，如圖4所示（右）。這種裝置有不到2％的光進入覆層，而且還可以生產(chan) 出一個(ge) 大於(yu) 35 dB的1微米的隔離窗口。除了光纖激光泵浦，此設備可用於(yu) 材料加工.

圖。4：（左）LI曲線， 2 00 μm, 0.15 NA的泵浦模塊用於(yu) 泵浦波長從(cong) 79x 到88x nm。該器件可工作在脈衝(chong) 模式，以達到約使用連續可用功率時一倍的功率。 （右）9xx nm，200μm,  0.1 NA的泵浦模塊LIV特性。這些產(chan) 品可作為(wei) 激光泵浦模塊以及材料處理應用。

當需要更高的功率，nLIGHT正在生產(chan) 一種基於(yu) 單管激光二極管的大封裝高功率產(chan) 品。這種封裝是專(zhuan) 為(wei) 光功率超過600瓦耦合到一個(ge) 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。該設備也被設計成具有高度的可配置性，有獨立的光學和激光模塊，同時能夠耦合進200 μm 0.2NA 的光纖或400 μm, 0.1 NA的光纖。激光模塊有56個(ge) 發射器部分組裝成，偏振耦合成兩(liang) 個(ge) 光束。兩(liang) 組鏡片形成的望遠鏡使光束勻稱，然後將其用一個(ge) 多元物鏡聚焦。一個(ge) 係統的光路圖顯示在圖5。該設備預計可實現降低成本，通過降低外殼，光學器件，和光纖的固定成本。 nLIGHT估計，使用高亮度單管激光二極管耦合這種係統，每瓦的價(jia) 格可以減少40％以上。

圖。5：（上左），56個(ge) 發射器模塊的光路圖, 設計來耦合功率超過500w的功率進200 μm, 0.2 NA的光纖（右上）一個(ge) 機械設計實現這個(ge) 係統。 （中心）激光模塊的NA圖和斑點組圖，展示了將56個(ge) 反射器到高效率的光纖耦合到這個(ge) BPP的可能性。 （下）數據表顯示了應用超過72個(ge) 反射器封裝的無焦點特性。輸出功率為(wei) 700W的峰值功率可達到的最高峰值效率為(wei) 60%.

   nLIGHT還開發了一種10個(ge) 單管激光二極管的光纖耦合裝置，基於(yu) Pearl的結構來耦合80W的光功率進105 μ#p#分頁標題#e#m, 0.15 NA的光纖。光學模型，光路圖和數據表如下圖6所示。光學模型和生產(chan) 出來的產(chan) 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(ge) 單管激光二極管的Pearl模塊能夠將超過80W功率，在0.12 NA時耦合進105微米的光纖的光路圖, NA圖和斑點圖。兩(liang) 個(ge) 光束是使用偏振多路技術耦合起來的。 （下）這個(ge) 激光模塊的數據表。設備的整個(ge) 運行範圍效率高於(yu) 50%以上。

    nLIGHT還生產(chan) 了79x- 808納米，9xx nm和15xx nm,基於(yu) 14個(ge) 單管激光二極管耦合進105微米, 0.15 NA的光纖的設備。光學光路圖如下圖 7。79x納米的設備是為(wei) 泵浦TM -摻鉺光纖激光器設計的，實現了人眼安全的光纖激光器KW級的縮放比例。這些設備耦合光功率超過70 W到這種光纖，具有效率大於(yu) 40％和相應的亮度13 MW/cm2-str。 15xx nm設備也展示了用在醫療應用（除皺），Er:YAG激光泵浦和摻鉺光纖激光器泵浦。隻用7個(ge) 器件和一個(ge) 單一的偏振，我們(men) 取得了超過15瓦的光功率。該裝置有一個(ge) 相應的亮度大於(yu) 3.5 MW/cm2-str。我們(men) 認為(wei) 當我們(men) 使用偏振光束耦合與(yu) 這些激光二極管共同的偏振光，可以達到超過30瓦的光功率。最後，在9xx納米效率值接近50％，亮度值20 MW/cm2-str時，可以達到超過100瓦的光功率。

圖.7：（頂）14個(ge) 單管激光二極管的Pearl模塊在9xx nm的光路圖, NA圖和斑點圖。（下）LIV曲線圖，對於(yu) 耦合進105微米，0.15 NA光纖各種設備。 （左下）對808 nm, 輸出功率超過70w耦合到一個(ge) 105um, 0.15 NA的光纖的設備特性。 （底部中心）對15xx nm，輸出功率超過15w耦合到一個(ge) 105um,0.15NA的光纖的結果。 （右下）對9xx nm的設備，輸出功率超過100w耦合到一個(ge) #p#分頁標題#e#105um,0.15納米的光纖，測量到的亮度超過20 MW/cm2-str。

4.結論