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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:
凯普林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。
凯普林利用当前芯片,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不可替代的作用,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,凯普林实现了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,且假设芯片工作在最高功率(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).


 



凯普林光电成立于2003年,是面向全球的激光解决方案服务商。公司以“让梦想驭光而行”为使命,以“创变非凡”为价值观,致力于创造更好的激光产品,为全球客户提供半导体激光器、光纤激光器、超快激光器产品及解决方案。截至目前,全球超过1000万只凯普林激光器在线稳定运行,遍布全球70多个国家和地区。
凯普林官网:www.bwt-bj.com


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