第38卷第4期
Vol.38No.4
红外与激光工程InfraredandLaserEngineering
2009年8月Aug.2009
高功率半导体激光器光纤耦合模块
马晓辉，史全林，徐莉，王玲，王智超
（长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室，吉林长春130022）
摘
要：光纤耦合输出的高功率激光二极管模块具有体积小、光束质量好、亮度高等特点，在泵
浦光纤激光器、材料处理、医疗仪器等领域都获得了广泛的应用。为了进一步提高光纤耦合激光二极管模块的输出功率，提出了基于多只激光二极管串联的光纤耦合方法。这种方法具有耦合效率高、光学元件加工简单等特点。利用两组反射镜，将多只高功率激光二极管输出光束经准直、复合、聚焦，耦合进光纤输出，根据激光二极管和光纤的相关参数设计了聚焦透镜。利用特殊加工的AlN材料作为过渡热沉解决了激光二极管的导热和相互之间的绝缘问题。采用这种方法将4只输出波长为980nm的高功率激光二极管输出光束耦合进数值孔径0.22、芯径100μm的多模光纤中，当工作电流为4.0A时,光纤连续输出功率为11.6W，耦合效率大于79%。
关键词：高功率激光二极管；中图分类号：TN248.4
激光合束；
光纤耦合
文章编号：1007-2276(2009)04-0674-05
文献标识码：A
High蛳powerlaserdiodefiber蛳coupledmodule
MAXiao蛳hui,SHIQuan蛳lin,XULi,WANGLing,WANGZhi蛳chao
(StateKeyLabofHighPowerSemiconductorLaser,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China)
Abstract:High蛳powerlaserdiodemoduleswithfiber蛳coupledoutputcharacterizesmallsize,goodbeamqualityandhighbrightness.Theyhavebeenwidelyusedinpumpedfiberlasers,materialprocessing,medicalequipmentsandotherfields.Toenhancetheoutputpoweroffiber蛳coupledlaserdiodemodulefurtherly，thefiber蛳coupledmethodwithlaserdiodeserieswasproposed.Thisapproachhadthecharactersofhighcouplingefficiency,simpleopticalcomponentsprocessingandsoon.Theoutputbeamsofhigh蛳powerlaserdiodearraywerecollimated,coupledandfocusedintothefiberbytwogroupsofmirrors.Afocuslenshadbeendesignedaccordingtothecalculationofrelevantparametersoflaserdiodesandfiberoptics.Astransitionalheatsinkmaterial,thespecialprocessedAlNsolvedtheproblemsonconductingheatandtheelectricinsulationamongthelaserdiodes.Byusingthisdesign,theoutputbeamsfromfour980nmlaserdiodeshavebeencoupledintoa100μmmultimodeopticalfiberwiththenumericalapertureof0.22.Thecontinuedoutputpoweroffibercanachieve11.6W,andthetotalcouplingefficienciesareover79%atoperationcurrentsof4.0A.
Keywords:High蛳powerlaserdiode;
Laserbeamcombining;
Fibercoupling
收稿日期：2008-10-15；修订日期：2008-12-20
基金项目：重点实验室基金资助项目（9140C310405090C31，9140C3103080804）
作者简介：马晓辉（1965－），男，吉林长春人，研究员，主要从事高功率半导体激光器及其应用等方面的研究。
Email:[email protected]
第4期
马晓辉等：高功率半导体激光器光纤耦合模块
675
多、最成熟的一种方法，这种方法的基本原理就是利用
0引言
激光驾束制导是一种实用的制导体制,具有抗干扰能力强、精度高等特点,是视距范围内常用的制导方法[1]。目前，各国装备中使用的激光驾束制导光源主要采用的仍是灯泵YAG固体激光器，其体积大、效率低、寿命短等固有缺陷限制了武器效能的发挥。而高功率半导体激光器光纤耦合模块具有体积小、寿命长、光电转换效率高等优点，可替代YAG固体激光器直接用于激光驾束制导，提高现有武器装备性能,扩展激光驾束制导的应用目标[2]。
高功率激光二极管发出的光束是各向异性的椭圆像散光束，因此，在应用中需要对输出光束进行整形以提高光束质量，将激光二极管发出的光束耦合进光纤输出是经常采用的方法之一。目前，研究人员对激光二极管的光纤耦合技术进行了大量的研究，并取得了很大进展[3]。采用大功率激光二极管列阵的光纤耦合模块已经商品化，虽然从输出功率上看，这种光纤耦合模块可以满足激光驾束制导的需求，但由于这种方法所需微透镜制造难度大、工艺实现困难，因此器件价格昂贵；其次这种光纤耦合模块的光纤直径偏大（一般大于
各种微光学耦合系统对光束进行整形或聚焦。偏振复合技术就是用偏振耦合器将两束具有相互垂直偏振态的光束复合成一束光，而光束的宽度并没有改变，以此来增加光束的亮度。波长复合技术则是将不同波长的光束通过光栅等色散元件或滤光镜等元件复合成一束光，这种方法在只考虑光束能量而对波长要求不高的情况下经常使用。在实际的应用当中，也可根据不同情况和要求将这3种基本方法组合起来[5-6]。
有很多种方法可以实现多光束空间复合，文中采用基于二级反射镜方法的光纤耦合方法，这种方法是目前国际上多光束空间复合技术中采用较多的方法之一。图
1为利用二级反射镜方法的光纤耦合模块的光路原理示意图。LD1~LDn为激光二极管单元。LD发出的光束首先经微圆柱透镜准直，准直后的光束可认为是在y方向上有一定发散角的线光源，其理想光斑图形如图1中的
①，准直后的LD1~LDn的输出光束分别经反射镜1和反
射镜2两次反射，光束的传播方向旋转了180°，并形成了一组复合光束，其截面光斑图案如图1中的②，可看成是一组平行的线光源，当然每个线光源在x，y方向上都有一定的发散角（分别对应激光二极管的慢轴发散角和快轴准直后的发散角），利用两只垂直放置的柱透镜可将这样的复合光束聚焦耦合进光纤。
400μm），虽然输出功率较大，但亮度并不高，同时也给后续光学系统的设计带来困难；此外，由于供电电流较大，不利于电源小型化，这些都限制了高功率激光二极管在激光驾束制导领域的直接应用[4]。
介绍了一种基于多只激光二极管(LD)串联的高功率光纤耦合模块，利用二级反射镜的方法，将高功率激光二极管输出光束经准直、复合，耦合进光纤输出。采用这种方法每个半导体激光器都有独立的热沉，散热效率比较高；同时光学系统比较简单，便于加工调整，制造成本低；由于激光二极管之间采用串联连接方式，大大减小了供电电流，利于电源小型化，因此，这种高功率半导体激光器光纤耦合模块可代替传统的YAG固体激光器用于激光驾束制导。
1基本原理
从理论上讲，在所有非相干多光束耦合系统中，根据所遵循的基本物理原则主要有空间复合、偏振复合、波长复合3种复合方式。所谓空间复合技术是指利用光学元件或其组合将多光束复合，是目前应用最
图1二级反射镜光纤耦合方案原理示意图
Fig.1Principlediagramofthefiber蛳coupledmethodby
twogroupsofmirrors
经上面的分析可知：柱透镜组的设计是整个方案的关键。为此，利用ZEMAX光学设计软件对柱透镜进
676红外与激光工程第38卷
行了优化设计。选取的激光器激射波长为980nm，采用圆柱透镜对激光二极管发射光束快轴方向进行准直，准直后快轴发散角小于1°，慢轴发散角仍为10°左右，在实际应用中，利用直径100μm的多模光纤代替柱透镜也能达到设计的要求，柱透镜距反射镜1的距离小于50mm，反射镜1的镜面尺寸为1.5mm×
8mm，通过调整反射镜1和反射镜2的角度将激光二极管发射光反射进聚焦耦合透镜组并实现空间上的紧密排列；聚焦透镜组采用的是正交放置的两个半柱透镜，柱透镜的曲率半径分别为6mm和20mm，两柱面镜之间的距离为40.2mm。
图2为利用ZEMAX软件对设计的模拟结果，经模拟分析，光线经平面反射镜反射后经柱透镜组聚焦，在焦点附近所有弥散斑直径小于100μm，能够满足光纤耦合的要求。
图3光纤耦合模块原理示意图
Fig.3Principlediagramofthefibercouplingmodule
（GaAs的TCE为5.9）不匹配，因此，在这里不适合直接作为过渡热沉使用；虽然Al2O3的热膨胀系数与
GaAs有较好的匹配性，但热导率较低也不适合作为过渡热沉使用，而AlN材料有较高的热导率，同时
TCE系数与管芯材料相近，适合作为过渡热沉。采用AlN材料作为过渡热沉的封装结构如图4所示。为了减少由于铟须的生长造成器件烧结过程的短路现象，考虑到焊接工艺的兼容性，芯片与AlN过渡热沉之间采用AuSn焊料（80%Au，20%Sn,熔点280℃）[8]，AlN过渡热沉和C蛳mount热沉之间采用In焊料（熔点157℃）连接。
图2利用ZEMAX模拟计算的点图
Fig.2SpotdiagramsimulatedbyZEMAX
2烧结装配工艺设计
为了实现上述的设计思路，对模块结构进行了设计和加工，图3为多只串联LD光纤耦合模块原理示意图。
为了减小模块的工作电流，LD之间采用串联连接，每个激光二极管与安装平台之间应该是绝缘的。因此，需要在管芯和Cu热沉之间增加一个导热绝缘过渡热沉，这种过渡热沉的材料既要有较高的热导率，同时热膨胀系数要与管芯材料相匹配。在微电子器件封装工艺中，常用的导热封装材料主要有Al2O3，
图4AlN过渡热沉封装结构示意图
Fig.4StructurediagramofAlNtransitionalheatsink
3实验与分析
为了完成模块的组装调试，利用精密调整架搭建了安装调试装置。在模块的装配中，平面反射镜的调整最为关键，其定位精度直接影响到整个模块的耦合效率。为此设计了特殊的夹具，利用负压原理将平面镜固定在特制夹具上并将夹具固定在六维调整机构上进行调整。最终利用了4只波长980nm激光器，实现了光
BeO，BN，SiC，AlN和金刚石薄膜等材料[7]。金刚石具有极高的热导率，但其热膨胀系数（TCE）与管芯材料
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马晓辉等：高功率半导体激光器光纤耦合模块
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纤耦合模块。采用的激光器发光区宽度为100μm，腔长2000μm，单只器件工作电流4A时，输出功率约为3.65W。光纤芯径100μm，数值孔径0.22，模块中集成了激励电源，图5为该模块实物照片。在室温下
都有独立的热沉，模块整体的封装热阻较小，在模块外壳有较好的散热条件下，模块可以长时间连续工作。
为了比较单只激光器和多只激光器经光纤耦合输出后空间能量分布的差异，分别对单只激光器光纤耦合模块和4只激光器光纤耦合模块的输出光束空间能量分布进行测量。实验中选取的输出光纤均为芯径100μm，数值孔径0.22。距离光纤输出端一定距离设置遮光屏，屏中打小孔，在垂直于光束传播方向的平面内移动小孔，通过小孔测量激光能量，得到光束在此截面内的空间能量分布。测量的数据经归一化处理后得到能量的空间分布，如图7所示。可以看到：对
图5集成激励源的多只LD串联光纤耦合模块
于单只光纤耦合的器件，输出光束在能量较集中的中心区域仍有较大的能量起伏(见图7(a))，而对于4只
Fig.5Photoofafiber蛳coupledLDmodulewithintegrated
excitationsource
LD光纤耦合输出的模块，在光束能量集中的中心区域，能量分布较均匀(见图7(b))。这是因为采用多只激光合束的光纤耦合方法得到的输出光束能量是多个激光器能量在空间的叠加，可大大改善空间能量分布的均匀性。因此，采用该方法。
选取不同工作电流测得模块光纤输出功率，根据测试数据并与激光器原始功率比较得到模块的P蛳I特性曲线和耦合效率。表1为4支串联模块耦合前后的测
表1初始功率与耦合模块输出功率的测量数据
Tab.1Initialpowerandmeasurementdataof
coupledmoduleoutputpower
Current/A0.601.002.003.004.00
Po/W1.072.736.8610.8614.66
PFiber/W0.962.255.468.6211.58
量数据，图6为根据测量数据绘制的模块输出特性曲线。如图所示，当模块工作电流为4.0A时，光纤输出功率为11.6W，耦合效率达到79%。由于每只激光二极管
图7单只LD与4只LD光纤耦合输出能量分布比较
Fig.7Comparisonofpowerprofileoffibercoupling
withaLDandfourLD
4结论
图6模块MD498001输出P蛳I测量及耦合效率曲线
Fig.6CouplingefficiencyandP蛳Imeasurementcurves
ofMD498001module
采用二级反射镜的高功率激光二极管光纤耦合方法是实现高功率激光二极管单光纤输出的较好方
678红外与激光工程第38卷
法，可以将多只激光二极管输出光束耦合进较小芯径的光纤输出,获得较高的亮度和较好的光束质量。由于输出光束空间能量分布均匀、供电电流小，其光纤耦合模块在激光驾束制导领域有广泛的应用前景。参考文献：
[1]
LIUXing蛳xin,LIYan蛳lan.State蛳of蛳artofforeignmilitarysolid蛳statelaser[J].Laser&Infrared(刘兴新,李燕兰.国外军用固体激光技术发展现状.激光与红外)，2000,30(1):7-10.
OptoelectronicsProgress(牛岗,樊仲维,王家赞,等.大功率半导体激光光纤耦合技术进展.激光与光电子学进展)，2004,41
(3):34-38.[5]
MAXiao蛳hui,WANChun蛳ming,SHIQuan蛳lin,etal.Fibercoupledhighpowerlaserdiodebypolarizationmultiplexing[J].ChineseJournalofLasers(马晓辉,万春明,史全林,等.基于偏振复用技术的激光二极管光纤耦合方法.中国激光),
2007,34(10):1343-1346.[6]
LVBai蛳da.Developmentsinthepropagation,transformationandbeamcontrolofhighpowerlasers[J].InfraredandLaserEngineering(吕百达.强激光传输变换和光束控制研究的进展.红外与激光工程),2000,29(1):40-45.
[2]WANGKuang蛳biao.Statusquo,keytechnologyanddevelopmentoflaserguidedweapon[J].InfraredandLaserEngineering(王狂飙.激光制导武器的现状、关键技术与发展.红外与激光工程),2007,36(5):651-655.
[7]MEIZ,HUAF,GLAZERJ.LowTemperatureSoldering[C]//IEEEKPMTInt'lElectronicsManufacturingSymposium,1997:463-476.
[3]MAXiao蛳yu,WANGJun,LIUSu蛳ping.Presentsituationofinvestigationsandapplicationsinhighpowersemiconductorlasers[J].InfraredandLaserEngineering(马骁宇,王俊,刘素平.国内大功率半导体激光器研究及应用现状.红外与激光工程),2008,37(2):189-194.
[8]ZHOUTao,BOBALT,OUDM,etal.AnintroductiontoeutecticAu/Snsolderalloyanditspreformsinmicroelectronics/optoelectronicpackagingapplications[J].Electronics&Packaging(周涛,汤姆·鲍勃,马丁·奥德,等.金锡焊料及其在电子器件封装领域中的应用.电子与封装),2005,5(8):6-7.
[4]NIUGang,FANZhong蛳wei,WANGJia蛳zan,etal.Technologicalprogressofhigh蛳powerfibercouplingLD[J].Laserand
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
(上接第668页)
114-117.[7]
FRYES,KATZJW,LIUDa蛳he,etal.TemperaturedependenceoftheBrillouinlinewidthinwater[J].JModernOpt,2002,49:411.[8]
HASI蛳Wuliji,LVZhi蛳wei,HEWei蛳ming.ExperimentalstudyonBrillouinscatteringindifferentliquidmediums[J].LaserTechnology（哈斯乌力吉，吕志伟，何伟明.不同液体介质的受激布里渊散射的实验研究.激光技术），2003，27
salinityandtemperature[J].ChineseJournalofLasers（刘大禾，汪华英，周静.布里渊散射法测量盐度及温度不同的海水中的声速.中国激光），2000，27(4):381-384.
[11]YUANZong蛳heng,LUXiang蛳dong,OUWei蛳ying,etal.Studyofphotoniccrystalnarrowbandfilteratgreenlightwaveband[J].LaserandInfrared（袁纵横,卢向东,欧伟英等.光子晶体绿光滤波器的研究.激光与红外），2006，36
(3):203-205.
[12]
WANGJi蛳zhou,XIONGYu蛳qing,LIUHong蛳kai,etal.Designandpreparationofadual蛳bandopticalfilter[J].Vacuum&Cryogenics（王济洲，熊玉卿，刘宏开，等.一种双通道窄带滤光片的设计与制备.真空与低温），2008，14(1):
(4):304-306.
[9]
LIUDa蛳he,KATZJW.EdgedetectingmethodofBrillouinscatteringinwater[J].ChineseJournalofLasers（刘大禾，KATZJW.水中布里渊散射的边缘探测方法.中国激光），1999，26(4):307-311.
37-40.
[13]
WANGZhan蛳shan,WANGLi,WUYong蛳gang.Dualbandpassfilterwithwiderejectionbandanditpreparationmethod(王占山，王利，吴永刚.宽截止带双通道带通滤光片及其制备方法):CN,[1**********]9.7[P].2004-12-22.
[10]LIUDa蛳he,WANGHua蛳ying,ZHOUJing.TestofsoundspeedbasedonBrillouinscatteringinseawaterofdifferent
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Vol.38No.4
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2009年8月Aug.2009
高功率半导体激光器光纤耦合模块
马晓辉，史全林，徐莉，王玲，王智超
（长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室，吉林长春130022）
摘
要：光纤耦合输出的高功率激光二极管模块具有体积小、光束质量好、亮度高等特点，在泵
浦光纤激光器、材料处理、医疗仪器等领域都获得了广泛的应用。为了进一步提高光纤耦合激光二极管模块的输出功率，提出了基于多只激光二极管串联的光纤耦合方法。这种方法具有耦合效率高、光学元件加工简单等特点。利用两组反射镜，将多只高功率激光二极管输出光束经准直、复合、聚焦，耦合进光纤输出，根据激光二极管和光纤的相关参数设计了聚焦透镜。利用特殊加工的AlN材料作为过渡热沉解决了激光二极管的导热和相互之间的绝缘问题。采用这种方法将4只输出波长为980nm的高功率激光二极管输出光束耦合进数值孔径0.22、芯径100μm的多模光纤中，当工作电流为4.0A时,光纤连续输出功率为11.6W，耦合效率大于79%。
关键词：高功率激光二极管；中图分类号：TN248.4
激光合束；
光纤耦合
文章编号：1007-2276(2009)04-0674-05
文献标识码：A
High蛳powerlaserdiodefiber蛳coupledmodule
MAXiao蛳hui,SHIQuan蛳lin,XULi,WANGLing,WANGZhi蛳chao
(StateKeyLabofHighPowerSemiconductorLaser,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China)
Abstract:High蛳powerlaserdiodemoduleswithfiber蛳coupledoutputcharacterizesmallsize,goodbeamqualityandhighbrightness.Theyhavebeenwidelyusedinpumpedfiberlasers,materialprocessing,medicalequipmentsandotherfields.Toenhancetheoutputpoweroffiber蛳coupledlaserdiodemodulefurtherly，thefiber蛳coupledmethodwithlaserdiodeserieswasproposed.Thisapproachhadthecharactersofhighcouplingefficiency,simpleopticalcomponentsprocessingandsoon.Theoutputbeamsofhigh蛳powerlaserdiodearraywerecollimated,coupledandfocusedintothefiberbytwogroupsofmirrors.Afocuslenshadbeendesignedaccordingtothecalculationofrelevantparametersoflaserdiodesandfiberoptics.Astransitionalheatsinkmaterial,thespecialprocessedAlNsolvedtheproblemsonconductingheatandtheelectricinsulationamongthelaserdiodes.Byusingthisdesign,theoutputbeamsfromfour980nmlaserdiodeshavebeencoupledintoa100μmmultimodeopticalfiberwiththenumericalapertureof0.22.Thecontinuedoutputpoweroffibercanachieve11.6W,andthetotalcouplingefficienciesareover79%atoperationcurrentsof4.0A.
Keywords:High蛳powerlaserdiode;
Laserbeamcombining;
Fibercoupling
收稿日期：2008-10-15；修订日期：2008-12-20
基金项目：重点实验室基金资助项目（9140C310405090C31，9140C3103080804）
作者简介：马晓辉（1965－），男，吉林长春人，研究员，主要从事高功率半导体激光器及其应用等方面的研究。
Email:[email protected]
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多、最成熟的一种方法，这种方法的基本原理就是利用
0引言
激光驾束制导是一种实用的制导体制,具有抗干扰能力强、精度高等特点,是视距范围内常用的制导方法[1]。目前，各国装备中使用的激光驾束制导光源主要采用的仍是灯泵YAG固体激光器，其体积大、效率低、寿命短等固有缺陷限制了武器效能的发挥。而高功率半导体激光器光纤耦合模块具有体积小、寿命长、光电转换效率高等优点，可替代YAG固体激光器直接用于激光驾束制导，提高现有武器装备性能,扩展激光驾束制导的应用目标[2]。
高功率激光二极管发出的光束是各向异性的椭圆像散光束，因此，在应用中需要对输出光束进行整形以提高光束质量，将激光二极管发出的光束耦合进光纤输出是经常采用的方法之一。目前，研究人员对激光二极管的光纤耦合技术进行了大量的研究，并取得了很大进展[3]。采用大功率激光二极管列阵的光纤耦合模块已经商品化，虽然从输出功率上看，这种光纤耦合模块可以满足激光驾束制导的需求，但由于这种方法所需微透镜制造难度大、工艺实现困难，因此器件价格昂贵；其次这种光纤耦合模块的光纤直径偏大（一般大于
各种微光学耦合系统对光束进行整形或聚焦。偏振复合技术就是用偏振耦合器将两束具有相互垂直偏振态的光束复合成一束光，而光束的宽度并没有改变，以此来增加光束的亮度。波长复合技术则是将不同波长的光束通过光栅等色散元件或滤光镜等元件复合成一束光，这种方法在只考虑光束能量而对波长要求不高的情况下经常使用。在实际的应用当中，也可根据不同情况和要求将这3种基本方法组合起来[5-6]。
有很多种方法可以实现多光束空间复合，文中采用基于二级反射镜方法的光纤耦合方法，这种方法是目前国际上多光束空间复合技术中采用较多的方法之一。图
1为利用二级反射镜方法的光纤耦合模块的光路原理示意图。LD1~LDn为激光二极管单元。LD发出的光束首先经微圆柱透镜准直，准直后的光束可认为是在y方向上有一定发散角的线光源，其理想光斑图形如图1中的
①，准直后的LD1~LDn的输出光束分别经反射镜1和反
射镜2两次反射，光束的传播方向旋转了180°，并形成了一组复合光束，其截面光斑图案如图1中的②，可看成是一组平行的线光源，当然每个线光源在x，y方向上都有一定的发散角（分别对应激光二极管的慢轴发散角和快轴准直后的发散角），利用两只垂直放置的柱透镜可将这样的复合光束聚焦耦合进光纤。
400μm），虽然输出功率较大，但亮度并不高，同时也给后续光学系统的设计带来困难；此外，由于供电电流较大，不利于电源小型化，这些都限制了高功率激光二极管在激光驾束制导领域的直接应用[4]。
介绍了一种基于多只激光二极管(LD)串联的高功率光纤耦合模块，利用二级反射镜的方法，将高功率激光二极管输出光束经准直、复合，耦合进光纤输出。采用这种方法每个半导体激光器都有独立的热沉，散热效率比较高；同时光学系统比较简单，便于加工调整，制造成本低；由于激光二极管之间采用串联连接方式，大大减小了供电电流，利于电源小型化，因此，这种高功率半导体激光器光纤耦合模块可代替传统的YAG固体激光器用于激光驾束制导。
1基本原理
从理论上讲，在所有非相干多光束耦合系统中，根据所遵循的基本物理原则主要有空间复合、偏振复合、波长复合3种复合方式。所谓空间复合技术是指利用光学元件或其组合将多光束复合，是目前应用最
图1二级反射镜光纤耦合方案原理示意图
Fig.1Principlediagramofthefiber蛳coupledmethodby
twogroupsofmirrors
经上面的分析可知：柱透镜组的设计是整个方案的关键。为此，利用ZEMAX光学设计软件对柱透镜进
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行了优化设计。选取的激光器激射波长为980nm，采用圆柱透镜对激光二极管发射光束快轴方向进行准直，准直后快轴发散角小于1°，慢轴发散角仍为10°左右，在实际应用中，利用直径100μm的多模光纤代替柱透镜也能达到设计的要求，柱透镜距反射镜1的距离小于50mm，反射镜1的镜面尺寸为1.5mm×
8mm，通过调整反射镜1和反射镜2的角度将激光二极管发射光反射进聚焦耦合透镜组并实现空间上的紧密排列；聚焦透镜组采用的是正交放置的两个半柱透镜，柱透镜的曲率半径分别为6mm和20mm，两柱面镜之间的距离为40.2mm。
图2为利用ZEMAX软件对设计的模拟结果，经模拟分析，光线经平面反射镜反射后经柱透镜组聚焦，在焦点附近所有弥散斑直径小于100μm，能够满足光纤耦合的要求。
图3光纤耦合模块原理示意图
Fig.3Principlediagramofthefibercouplingmodule
（GaAs的TCE为5.9）不匹配，因此，在这里不适合直接作为过渡热沉使用；虽然Al2O3的热膨胀系数与
GaAs有较好的匹配性，但热导率较低也不适合作为过渡热沉使用，而AlN材料有较高的热导率，同时
TCE系数与管芯材料相近，适合作为过渡热沉。采用AlN材料作为过渡热沉的封装结构如图4所示。为了减少由于铟须的生长造成器件烧结过程的短路现象，考虑到焊接工艺的兼容性，芯片与AlN过渡热沉之间采用AuSn焊料（80%Au，20%Sn,熔点280℃）[8]，AlN过渡热沉和C蛳mount热沉之间采用In焊料（熔点157℃）连接。
图2利用ZEMAX模拟计算的点图
Fig.2SpotdiagramsimulatedbyZEMAX
2烧结装配工艺设计
为了实现上述的设计思路，对模块结构进行了设计和加工，图3为多只串联LD光纤耦合模块原理示意图。
为了减小模块的工作电流，LD之间采用串联连接，每个激光二极管与安装平台之间应该是绝缘的。因此，需要在管芯和Cu热沉之间增加一个导热绝缘过渡热沉，这种过渡热沉的材料既要有较高的热导率，同时热膨胀系数要与管芯材料相匹配。在微电子器件封装工艺中，常用的导热封装材料主要有Al2O3，
图4AlN过渡热沉封装结构示意图
Fig.4StructurediagramofAlNtransitionalheatsink
3实验与分析
为了完成模块的组装调试，利用精密调整架搭建了安装调试装置。在模块的装配中，平面反射镜的调整最为关键，其定位精度直接影响到整个模块的耦合效率。为此设计了特殊的夹具，利用负压原理将平面镜固定在特制夹具上并将夹具固定在六维调整机构上进行调整。最终利用了4只波长980nm激光器，实现了光
BeO，BN，SiC，AlN和金刚石薄膜等材料[7]。金刚石具有极高的热导率，但其热膨胀系数（TCE）与管芯材料
第4期
马晓辉等：高功率半导体激光器光纤耦合模块
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纤耦合模块。采用的激光器发光区宽度为100μm，腔长2000μm，单只器件工作电流4A时，输出功率约为3.65W。光纤芯径100μm，数值孔径0.22，模块中集成了激励电源，图5为该模块实物照片。在室温下
都有独立的热沉，模块整体的封装热阻较小，在模块外壳有较好的散热条件下，模块可以长时间连续工作。
为了比较单只激光器和多只激光器经光纤耦合输出后空间能量分布的差异，分别对单只激光器光纤耦合模块和4只激光器光纤耦合模块的输出光束空间能量分布进行测量。实验中选取的输出光纤均为芯径100μm，数值孔径0.22。距离光纤输出端一定距离设置遮光屏，屏中打小孔，在垂直于光束传播方向的平面内移动小孔，通过小孔测量激光能量，得到光束在此截面内的空间能量分布。测量的数据经归一化处理后得到能量的空间分布，如图7所示。可以看到：对
图5集成激励源的多只LD串联光纤耦合模块
于单只光纤耦合的器件，输出光束在能量较集中的中心区域仍有较大的能量起伏(见图7(a))，而对于4只
Fig.5Photoofafiber蛳coupledLDmodulewithintegrated
excitationsource
LD光纤耦合输出的模块，在光束能量集中的中心区域，能量分布较均匀(见图7(b))。这是因为采用多只激光合束的光纤耦合方法得到的输出光束能量是多个激光器能量在空间的叠加，可大大改善空间能量分布的均匀性。因此，采用该方法。
选取不同工作电流测得模块光纤输出功率，根据测试数据并与激光器原始功率比较得到模块的P蛳I特性曲线和耦合效率。表1为4支串联模块耦合前后的测
表1初始功率与耦合模块输出功率的测量数据
Tab.1Initialpowerandmeasurementdataof
coupledmoduleoutputpower
Current/A0.601.002.003.004.00
Po/W1.072.736.8610.8614.66
PFiber/W0.962.255.468.6211.58
量数据，图6为根据测量数据绘制的模块输出特性曲线。如图所示，当模块工作电流为4.0A时，光纤输出功率为11.6W，耦合效率达到79%。由于每只激光二极管
图7单只LD与4只LD光纤耦合输出能量分布比较
Fig.7Comparisonofpowerprofileoffibercoupling
withaLDandfourLD
4结论
图6模块MD498001输出P蛳I测量及耦合效率曲线
Fig.6CouplingefficiencyandP蛳Imeasurementcurves
ofMD498001module
采用二级反射镜的高功率激光二极管光纤耦合方法是实现高功率激光二极管单光纤输出的较好方
678红外与激光工程第38卷
法，可以将多只激光二极管输出光束耦合进较小芯径的光纤输出,获得较高的亮度和较好的光束质量。由于输出光束空间能量分布均匀、供电电流小，其光纤耦合模块在激光驾束制导领域有广泛的应用前景。参考文献：
[1]
LIUXing蛳xin,LIYan蛳lan.State蛳of蛳artofforeignmilitarysolid蛳statelaser[J].Laser&Infrared(刘兴新,李燕兰.国外军用固体激光技术发展现状.激光与红外)，2000,30(1):7-10.
OptoelectronicsProgress(牛岗,樊仲维,王家赞,等.大功率半导体激光光纤耦合技术进展.激光与光电子学进展)，2004,41
(3):34-38.[5]
MAXiao蛳hui,WANChun蛳ming,SHIQuan蛳lin,etal.Fibercoupledhighpowerlaserdiodebypolarizationmultiplexing[J].ChineseJournalofLasers(马晓辉,万春明,史全林,等.基于偏振复用技术的激光二极管光纤耦合方法.中国激光),
2007,34(10):1343-1346.[6]
LVBai蛳da.Developmentsinthepropagation,transformationandbeamcontrolofhighpowerlasers[J].InfraredandLaserEngineering(吕百达.强激光传输变换和光束控制研究的进展.红外与激光工程),2000,29(1):40-45.
[2]WANGKuang蛳biao.Statusquo,keytechnologyanddevelopmentoflaserguidedweapon[J].InfraredandLaserEngineering(王狂飙.激光制导武器的现状、关键技术与发展.红外与激光工程),2007,36(5):651-655.
[7]MEIZ,HUAF,GLAZERJ.LowTemperatureSoldering[C]//IEEEKPMTInt'lElectronicsManufacturingSymposium,1997:463-476.
[3]MAXiao蛳yu,WANGJun,LIUSu蛳ping.Presentsituationofinvestigationsandapplicationsinhighpowersemiconductorlasers[J].InfraredandLaserEngineering(马骁宇,王俊,刘素平.国内大功率半导体激光器研究及应用现状.红外与激光工程),2008,37(2):189-194.
[8]ZHOUTao,BOBALT,OUDM,etal.AnintroductiontoeutecticAu/Snsolderalloyanditspreformsinmicroelectronics/optoelectronicpackagingapplications[J].Electronics&Packaging(周涛,汤姆·鲍勃,马丁·奥德,等.金锡焊料及其在电子器件封装领域中的应用.电子与封装),2005,5(8):6-7.
[4]NIUGang,FANZhong蛳wei,WANGJia蛳zan,etal.Technologicalprogressofhigh蛳powerfibercouplingLD[J].Laserand
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
(上接第668页)
114-117.[7]
FRYES,KATZJW,LIUDa蛳he,etal.TemperaturedependenceoftheBrillouinlinewidthinwater[J].JModernOpt,2002,49:411.[8]
HASI蛳Wuliji,LVZhi蛳wei,HEWei蛳ming.ExperimentalstudyonBrillouinscatteringindifferentliquidmediums[J].LaserTechnology（哈斯乌力吉，吕志伟，何伟明.不同液体介质的受激布里渊散射的实验研究.激光技术），2003，27
salinityandtemperature[J].ChineseJournalofLasers（刘大禾，汪华英，周静.布里渊散射法测量盐度及温度不同的海水中的声速.中国激光），2000，27(4):381-384.
[11]YUANZong蛳heng,LUXiang蛳dong,OUWei蛳ying,etal.Studyofphotoniccrystalnarrowbandfilteratgreenlightwaveband[J].LaserandInfrared（袁纵横,卢向东,欧伟英等.光子晶体绿光滤波器的研究.激光与红外），2006，36
(3):203-205.
[12]
WANGJi蛳zhou,XIONGYu蛳qing,LIUHong蛳kai,etal.Designandpreparationofadual蛳bandopticalfilter[J].Vacuum&Cryogenics（王济洲，熊玉卿，刘宏开，等.一种双通道窄带滤光片的设计与制备.真空与低温），2008，14(1):
(4):304-306.
[9]
LIUDa蛳he,KATZJW.EdgedetectingmethodofBrillouinscatteringinwater[J].ChineseJournalofLasers（刘大禾，KATZJW.水中布里渊散射的边缘探测方法.中国激光），1999，26(4):307-311.
37-40.
[13]
WANGZhan蛳shan,WANGLi,WUYong蛳gang.Dualbandpassfilterwithwiderejectionbandanditpreparationmethod(王占山，王利，吴永刚.宽截止带双通道带通滤光片及其制备方法):CN,[1**********]9.7[P].2004-12-22.
[10]LIUDa蛳he,WANGHua蛳ying,ZHOUJing.TestofsoundspeedbasedonBrillouinscatteringinseawaterofdifferent