半导体激光器和光纤的耦合
半导体激光器和光纤的耦合
高树理
(西安建筑科技大学理学院,西安710055)
摘要:半导体激光器与光纤的耦合是提高EDFA性能的关键技术之一,论文详细分析光纤与半导体激光器耦合的各种方法,最后总结出了提高耦合效率的研究方向。
关键词:光纤;半导体激光器;耦合效率
中图分类号:TN248文献标识码:A文章编号:1008-8725(2010)02-0028-03
Coupling of Semiconductor Laser with Fiber
GAO Shu-li
(College of Science,Xi c an University of Archi tecture&Technology,Xi c an710055,China)
Abstract:The coupling of semiconductor laser with fiber is a key technology to obtain EDFA with high perfor-mance.Methods of c oupling of semiconduc tor laser with fiber are analyzed in the paper.The direction of re-search to improve the coupling efficiency is summarized at last.
Key words:fiber;semiconductor laser;the coupling efficiency
0引言
近年来,半导体激光器与光纤的耦合技术得到了迅速发展,而且日趋成熟。按照半导体激光器与光纤之间是否存在光学元件,将耦合方式分为两种,即直接耦合与间接耦合。因为LD
和平面光纤的耦
图2T2中断服务程序流程图
5结束语
文章讨论了传统频率测量方法的原理及误差。
在此基础上,对多周期同步测频技术的原理及其误
差进行了详细分析。由于多周期同步测频技术的测
量精度与被测信号的频率无关,实现了整个测量频
段内的等精度测量,消除了M法中对被测脉冲信号
的计数量化误差,克服了M P T法中高低频两端精度
高而中界频率附近测量误差最大的缺陷。提出了基
于AT89C52实现多周期同步测频方法,利用T2的捕
捉功能和外部中断产生与待测信号同步的闸门时
间,通过T2的定时功能实现了时基信号与待测信号
的同步计数,使得系统只用一个定时器P计数器T2
就实现了多周期同步测频技术,该系统软硬件结构
简单,具有较高的测量精度和较短的系统反应时间。
参考文献:
[1]尹克荣.智能仪表中的频率测量方法[J].长沙电力学院学报,
2002,17(1):74-76.
[2]章军,张平,于刚.多周期同步测频测量精度的提高[J].电测与
仪表,2003,40(6):16-18.
[3]王连符.测频系统测量误差分析及其应用[J].中国科技信息,
2005.
[4]李全利.单片机原理及应用技术[M].北京:高等教育出版社,
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[5]李群芳,黄建.单片微型计算机与接口技术[M].北京:电子工
业出版社,2002.
[6]孙传友,孙晓斌,汉泽西,等.测控系统原理与设计[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2002.
(责任编辑王秀丽)
收稿日期:2009-12-04;修订日期:2009-12-22
作者简介:高树理(1983-),男,西安人,硕士研究生,助教,现在西安建筑科技大学从事光纤激光器的研究工作,E-mail: gaoshuli1983@https://www.360docs.net/doc/b614084149.html,。
第29卷第2期
2010年2月
煤炭技术
Coal Technology
Vol129,No102
Feb,2010
合效率较低,因此一段时期,采用透镜+平面光纤的方式来提高耦合效率。随着耦合技术的发展通过改进光纤端面结构,直接耦合也可获得较高耦合效率,而与间接耦合相比,直接耦合还具有结构简单的优点。
1 直接耦合
在谐振腔内部和谐振腔外的空间,半导体激光器的光强分布是遵循一定规律的。由文献[2]可知,空间任意一点P (x ,y ,z )处的光强为:
I (x ,y ,z )=A (z )exp{-2[(x X x )2+(y X y )2
]}(1)
其中A (z )是与x ,y 无关,只与z 有关的常数,
X x =K z PX 0x ,X y =K z PX 0y ;X 0x ,X 0y 是高斯光束的束腰,
相当于近场宽度。1.1 LD 和平面光纤
用一个点光源照射光纤的平端面,如图1所示,从光源发出的光以入射角H 射向光纤端面,经折射后以出射角C 射入光纤芯中。到达芯的包层的界面时的入射角为A 。光波在光纤中传播须满足全反射条件,所以只允许那些A >A c 的光线传播(其中A c =sin -1
(n 2P n 1),分别为芯心和包层的折射率),所以从光源出发的,能照射到光纤芯端面上进入光纤的光中只有一部分被光纤接收。这就是说,只有那些对光纤端面的入射角小于某一临界值H c 的光才能被允许在光纤中传播。利用全反射原理,可以求
得H c =(n 2
1-n 2
2)1
2。H c 称为光纤的接收角,它由光
纤内外层折射率决定。
图1 点光源照射光纤的平端面图
可以根据式(1)计算耦合效率。首先计算光纤
端面所在的平面(z =S )激光器的总功率P 0
P 0=2A (s )
Q
]
exp[-2(x X x
)2
]d x
Q
]
exp
[-2(
y X y
)2
]d y (2)
利用换元积分,可得:P 0=Ber f (])(3)
其中B =
2PX y
2
A (s )Q
]
exp[-2(
x X x
)2
]d x (4)
在z =S 的平面内B 为常数。
er f (A )=22P Q
A 0
e -t 2
2
d t 为误差函数。
包含在张角2H c 之内的光功率是
P 0=2A (s )
Q
]
exp[-2(x X x
)2
]d x
Q y
exp
[-2(
y X y
)2
]d y (5)
在上式中x 轴的积分上限所以能从x 0换成]是因为光功率的平行发散角很小之故。积分换元,可得:
P 0=Berf (2
K PX 0y tan H c )(6)再考虑光纤端面上还有反射损耗(4%),则耦合效率为:
G =erf (2
K PX 0y tan H c )er f (])
@96%(7)
由式(7)可见,最大耦合效率与接收角H c 以及近场发光宽度X 0y 有关。以X 0y =0105L m,K =0185L m 的激光器为例,如果用NA =0114(H c =8b )的光纤直接耦合,则耦合效率的最大值为20%左右。对这种耦合进行了实验研究,以1000mW 的980nm 的半导体激光器的输出光,输入到平端光纤,输出功率为80mW,本实验室最好的结果为150mW 。1.2 端面球透镜耦合
这里介绍一种最简单的加透镜的方法就是将光纤的端面做成一个半球形,它可以起到短聚焦的作用。如图2所示。用粗略的计算可以证明,带有球透镜的光纤的等效接收角H c 变为:
H c =sin -1{n 1sin[sin -1(d 2r )+cos -1n 2
n 1
]}-sin -1
(
d 2r
)(8)其中r 为球透镜的半径,d 为光纤芯径。可以看出当r =]时,就变成了平端光纤的情况。通过式(1)可以求得球半径r 和光纤直径d 与等效接收角H c 的关系。
图2 端面球透镜耦合
光纤端面仅作这样一个简单的变动就可以使H c 扩大许多。端面球透镜的制造方法比较容易,一般都用氧气或其他高温火焰将光纤端点烧熔,在显微镜下可以看到它自然的缩成一个小球。端面球透镜耦合方式在实际耦合操作中与直接耦合相同,但在轴向上位置的要求比直接耦合要严格一些。根据文献[2]可知,通过这种方法可以使耦合效率最高达60%。
1.3 尖锥端光纤
应用模式耦合模型,介绍一种近年来发展迅速的低反射高效率的尖锥端光纤和半导体激光器的耦
合技术[3]
,如图3所示。
第2期 高树理:半导体激光器和光纤的耦合 #29#
前面介绍过,激光器的模场为高斯场,通常LD 的模场为椭圆形,则在出射窗口处的横向场分布可以表示为:
W l (x ,y )=A l exp{-[(x X 0x )2+(y X 0y )2
]}
(9)其中x 轴和LD 的结平面平行,A l
为场振幅。
图3 尖锥端光纤耦合
光纤中模场为圆形,则其横向场可以表述为:
W f (x ,y )=A f exp{-[(x X f )2+(y X f )2
]}(10)
其中A f 为场振幅,X f 为光纤中模半径。利用高斯模的传输规律得到经过一段距离z 之
后的LD 模场分布为:
W lz (x ,y ,z )=A l (X 0x X 0y )1P 2
[X x (z )X y (z )]
1P 2exp{-[(x X 0x (z ))2
+(y X y (z ))2]}#exp{-ik [x 2
2R x (z )+y 2
2R y (z )
]}#exp{-ikz )exp{-i [
2 ]} (11) 其中 X x (z )=X 0x 1+(z Z 0x ) 2 (12)Z 0x =PX 0x P K (13)R x (z )=z +Z 20x P z (14) (z P Z 0x ) (15) k -2P P K ,X x (z ),R x (z )分别为波前在x 轴方向的模半径和曲率半径,以y 代替r 则可得X y (z ),Z 0y ,R y (z ), 由文献[1]可知,尖锥形状的光纤头起到一个传输因子的作用。因为光纤纤芯与光纤包层的折射率差很小,所以可以用同一个折射率来表示它们,则传输因子为: W <(x ,y ,z )=exp[ik (n 1-n 2) x 2 +y 2 ctg H ](16) 其中H 为半锥角,n 1,n 2分别为光纤和空气的折射率。 最后根据模场匹配公式,对光纤中的模场W f 和经过距离z 及传输因子变换后的模场W i =W lz W <进行计算,得到两模场间的匹配系数,此匹配系数就是LD 到光纤的耦合效率G c ,则: G c = | Q +]-] W f W *lz W * Q +]-] W f W *f d A Q +] -] W lz W *lz d A (17) 通过改变轴向距离z 和半锥角H ,可以获得最 大耦合效率。理论计算表明这种耦合方式,在H =60b 附近有最大耦合效率接近90%。 2 间接耦合 2.1 凸透镜耦合 如图3所示,一个凸透镜将在其焦点上的激光器发出的光变成平行光,再用另一个凸透镜聚焦到光纤端面上。这种由两截做成的耦合接头,每一截包含一个凸透镜,因为中间是平行光,两截连接部分的精密度要求不高,调节较容易,结构稳定、可靠,使用方便。 图3 凸透镜耦合 2.2 柱透镜耦合 激光器发出的光在空间是一个细长的椭圆形,可以通过柱透镜将光压缩,使整个光斑接近圆形,而后和圆形截面的光纤相耦合就会使耦合效率有很大提高。如图4所示。由激光器发出的张角为H 的光,经柱透镜两次折射后,只要它的入射角满足光纤全反射条件的要求就可以被光纤所接收,实际上就是扩大了光纤的等效接收角。 图4 柱透镜耦合 2.3 组合透镜耦合 在许多半导体激光器和光纤的耦合系统中,经常利用柱透镜、球透镜及锥形光纤等相互组合来提 高耦合效率[4] 。利用组合透镜可将耦合效率提高到75%以上。但在装配时需要用精密夹具来精密调整,增加了工作难度。 3 结论 通过以上对光纤与半导体激光器耦合方式的简绍,可以看出通过直接耦合提高耦合效率,要求对光纤加工精度高;通过间接耦合提高耦合效率,需要在光纤与激光器间加入光学元件,增加了系统复杂度,增加了系统的体积。总结以上所简绍的耦合方式可以得出:要提高光纤与半导体激光器的耦合效率,获得尽可能大的出纤功率,就需要尽可能多的光耦合进光纤中去,尽可能的减少耦合时反射出的光。参考文献: [1] 查开德.尖锥端光纤和半导体激光器的耦合[J].中国激光, 1998. 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(责任编辑 王秀丽) #30# 煤 炭 技 术 第29卷 ST 系列高功率光纤耦合半导体激光器 ST系列高功率光纤耦合半导体激光器是一款结构紧凑、维护和运行成本低廉、有显著节能效果的半导体激光器系统（如工作时长按八小时算比光纤激光器节能20％）。此激光器通常用于激光焊接，切割塑料和金属，以及许多其他的制造工艺上（如退火、回火或软钎焊等）。 特性: 交钥匙系统，可定制的OEM系统 易于集成，设计紧凑 手动和远程操作状态的界面 可控的半导体激光器操作，激光器模块更换方便 免维护，被动水冷，每年检查一次水冷系统（纯净水，颗粒过滤器） 严格按照安全标准操作（光纤插头和断线检测，互锁，争停界面，激光警示灯等） 可选设备：光纤长度可选 (5, 10, 20 m, 各种激光加工的激光头可选 电转换效率为 30%, 同功率等级的CO2激光器的转换率约为 6 - 8 % ，光纤激光器约为 20 - 25 % 应用: 金属和塑料的切割和焊接 激光退火、回火或软钎焊 参数: 2KW光纤耦合半导体激光器，也可根据客户要求提供其他功率的激光器 激光模块电源 半导体激光器AV-70 最大输出电压 2 x 80V 最大运行电流75A 最大输出电流75A 最大运行电压 2 x 80V 最小上升时间100us 冷却被动水冷却最大脉冲频率10kHz 激光模块传感 器功能监控，温度监控运行模式脉冲，剖面 光束指示切换开/关控制单元（可选远程终端）显示器，手轮，钥匙开关，启动/停止，急停 重量~70kg 界面以太网， can-bus, profibus, RS232, SPS-接口 制冷机机架系统 制冷机型号类型19” system 冷却方式尺寸(HxWxD 1650x565x800mm 3 环境空气温度 范围重量(不含激光模块~100kg 自来水温度范 围电压输入400VAC±10% 自来水最小流 量最大电流32A 水槽容量线索号3+N+PE 嗓音消除频率50/60Hz 激光电路温度 范围电源插头类型(标准CEE 过滤丝网激光 电路自来水接口类型CPC-plugs 自来水滤网电 路水管尺寸(内径8mm 感应器水管尺寸 (外径12mm 加热器激光头冷却水接口Hose 我们还根据不同的加工材料及应用提供相应的激光头。 优点: -优化对于许多应用的最佳强度分布的光束整形 高亮度光纤耦合半导体激光器 High Brightness Fiber Coupled Diode Laser 凯普林光电 1 引言 光纤耦合半导体激光器以其体积小、光束质量好、寿命长及性能稳定等优势在各领域得到广泛应用，主要作为光纤激光器的泵浦源、固体激光器泵浦源，也可直接应用于激光医疗，材料处理如熔覆、焊接等领域。受光纤激光器向高功率方向发展趋势的影响，半导体激光器也在向高功率、高亮度发展，高亮度半导体激光器具有较高的光功率密度，经合束器合束同样成为高功率光纤激光器理想的泵浦源。目前光纤耦合半导体激光器结构主要有单管耦合激光器、多单管耦合激光器、迷你Bar以及Bar条/叠阵系列，多单管耦合激光器因其具有高可靠性而成为光纤激光器的主流泵浦源之一，本文主要介绍通过多单管光纤耦合技术实现高亮度半导体激光器的技术与实现。 2 多单管结构 多单管结构是将多路分立的半导体激光器发出的光束经过整形、重新排列、合束后耦合进入单根光纤，从而可提高激光器输出功率。由于分立半导体激光器芯片必须安装在具有一定大小的热沉上，如果直接将多个半导体激光器的输出光束进行排列并聚焦耦合，通常由于受到每个芯片和其热沉体积的限制，合并光束体积较大，很难获得小芯径高亮度的光纤耦合输出。为减小合并光束的空间体积大小，必须采取一定的措施。为此，凯普林自主研发的多单管耦合结构采用阶梯热沉、聚焦透镜、耦合光纤以及独特的安装方式，光路设计简化了结构的复杂性，减小了组件的体积，大大提高了半导体激光器输出的功率，同时保证了耦合点的合理工作温度，如图1所示。 在进行多单管耦合前可对分立半导体激光器芯片进行老化筛选，从而保证了多单管耦合后的可靠性。单管的随机失效特性独立，相比于Bar条、叠阵无热效应干扰，单管的可替换也增加了其耐用性，具有较高的成本优势。 多模光纤激光器 可见光和红外光半导体激光器都可以和多模光纤耦合，通过光纤输出。光纤输出的优点是可以随意改变光路方向，此类激光器多用于探测仪器及医疗仪器等。光纤出口光斑大小和光纤长度可由客户选择。光纤耦合模块具有大功率、高亮度的连续光输出，其输出为圆光束、小孔径和对称的请打零贰玖捌捌柒贰陆柒柒叁光斑形状，可广泛应用于医疗、材料处理、固体激光器泵浦、工业及航空、航天等诸多领域。光纤耦合模块的输出波长可满足固体激光器泵浦、医疗诊断及冶疗所需的波段。在工业应用上可被金属及其它材料有效地吸收，可用于激光焊接、打孔和材料处理。光纤的小数值孔径及小芯径有效地改善了激光器的输出亮度、功率密度和光束质量。 Visible light and infrared laser diode can be and multimode optical fiber coupling, through the optical fiber output. The advantages of optical fiber output is free to change the direction of the light path, such lasers to detect more instruments and medical instruments, etc. Fiber export spot size and fiber length can be selected by the customer. Fiber coupling module has high power, high brightness, light output, the output for the circular beam and small aperture shape and symmetry of light, can be widely used in medical, materials processing, solid state laser pump, industrial and aviation, aerospace and other fields. Fiber coupling module output wavelength can meet please dozen zero two nine pure two land and pure pure three solid laser pumped, medical 大功率半导体激光器光纤耦合技术调研报告 1．前言 近年来，高功率光纤激光器因其优良的性能日益受到人们的重视和青睐，被广泛地应用于工业加工、空间光通信、医疗和军事等各个方面，其迅速发展在很大程度上得益于大功率高亮度半导体激光器技术的进步，大功率半导体激光光纤耦合技术一直是高功率光纤激光器技术的一项关键核心技术。相反地，半导体激光器泵浦的高功率光纤激光器（DPFL）的发展也带动了大功率半导体激光器技术，尤其是大功率半导体激光光纤耦合技术的进步。 由于单管半导体激光器（LD）的输出功率受限于数瓦量级，远不能满足高功率光纤激光器泵浦源的要求，要获得更大输出功率须采用具有多个发光单元的激光二极管阵列（LD Array）。按照结构形式的不同，激光二极管阵列分为线阵列（LD Bar）和面阵列（LD Stack），分别如图1(a)和(b)所示，其中LD Bar的输出功率一般在数十瓦至百瓦量级，而LD Stack的输出功率一般在数百瓦乃至上千瓦。无论是单管LD还是LD Array，由其固有结构特点决定了半导体激光器具有光束发散角较大，输出光束光斑不对称，亮度不高等问题，给作为高功率光纤激光器泵浦源的实际应用带来很大困难和不便。一个较好的解决方法是将半导体激光耦合进光纤输出，这样既可以利用光纤的柔性传输，增加使用的灵活性，又可以从根本上改善半导体激光器的输出光束质量。 Fig.1 （a）LD Bar 和（b）LD Stack 大功率半导体激光器阵列光纤耦合技术作为一项高新技术，具有很高的技术含量，涉及半导体材料、纤维光学技术、微光学技术、微精细加工技术和耦合封装技术等关键单元技术。目前为止，大功率半导体激光器阵列光纤耦合技术主要采用两条技术路线：光纤束耦合法和微光学系统耦合法。下面将主要以LD Bar 光纤耦合技术为例，就该两种方法进行详细阐述。 2．大功率半导体激光器阵列光纤耦合技术 2．1光纤束耦合法 光纤束耦合法（又称光纤阵列耦合法）是早期使用的一种光纤耦合技术，具有结构简单明了、耦合效率高、各发光元的间隙不影响整体光束质量和成本低等优点。该方法通过微光学系统将LD Bar各个发光单元发出的光束在快轴方向进行准直和压缩后，与相同数目的光纤阵列一一对应耦合，然后通过光纤合束在 光纤光学与半导体激光器的电光特性实验 上个世纪70年代光纤制造技术和半导体激光器技术取得了突破性的进展。光纤通信具有容量大、频带宽、光纤损耗低、传输距离远、不受电磁场干扰等优点，因此光纤通信已成为现代社会最主要的通信手段之一。半导体激光器是近年来发展最为迅速的一种激光器。由于它的体积小、重量轻、效率高、成本低，已进入了人类社会活动的多个领域。 【实验目的】 1．了解半导体激光器的电光特性和测量阈值电流。 2．了解光纤的结构和分类以及光在光纤中传输的基本规律。 3．掌握光纤数值孔径概念、物理意义及其测量方法。 4．对光纤本身的光学特性进行初步的研究。 【实验仪器】 GX-1000光纤实验仪，导轨，半导体激光器+二维调整，Array三维光纤调整架+光纤夹，光纤，光探头+二维调整架，激光功 率指示计，一维位移架+十二档光探头（选购），专用光纤钳、 光纤刀，示波器，音源等。如右图所示。 1．设备参数： （1）半导体激光器类型：氮化镓，工作电流：0-70mA，激 光功率：0-10mW，输出波长：650nm； （2）总输出电压为3.5-4V，考虑保护电路分压，所以管芯 电压降为2.2V。 （3）光纤损耗率：每千米70%，实验所用光纤长度：200m，计算损耗为93.1%，如激光输出功率为10mW，除去损耗后激光输出的总功率：9.31mW，（计算耦合效率时用到）。 （4）信号源频率可用范围:10KH Z-300KH Z。 2．主机功能 实验主机面板如下图 主机主要由3部分组成：电源模块、发射模块、接收模块。 (1)电源模块主要是为半导体激光器和主机其它模块提供电源。由3部分组成： ①表头：三位半数字表头，用于显示半导体激光器的平均工作电流。该电流可通过表头下的 电位器进行调整。 ②电源开关：220VAC电源开关。 ③电流调节旋钮：半导体激光器的工作电流调整钮。 (2)发射模块主要功能为半导体激光器工作状态和频率参数的控制。内含一频率可调的矩形波发 生器、一个频率固定的矩形波发生器和模拟信号调制电路。 ①功能状态选择钮：用于选择半导体激光器的工作状态。直流档：半导体激光器工作在直流 状态。脉冲频率档：半导体激光器工作在周期脉冲状态下。输出的激光是一系列的光脉冲，且频率可 调。调制档：激光器工作在周期脉冲状态下，但频率固定，脉冲宽度受外部输入的音频信号调制。 ②脉冲频率旋钮：用于调节脉冲信号的频率。 ③输出插座：三芯航空插座。连接半导体激光器。 ④输出波形插座：Q9插座。接示波器，用于观察驱动激光器的波形。 ⑤音频输入插座：3.5mm耳机插座。连接音频信号源——单放机。 ⑥音频输入波形插座：Q9插座。接示波器，可用于观察音频信号波形。 (3)接收模块主要功能为光信号的接受、放大、解调和还原。内含光电二极管偏置驱动、高频放 大、解调、音频功放电路和扬声器等。 ①输入插座：Q9插座。连接光电二极管。用于探测光脉冲信号。 ②波形插座：两个Q9插座。可分别接示波器，观察波形。前一个为解调前的脉冲信号波形， 后一个为解调后的模拟音频信号波形。 ③扬声器开光：用于控制内置扬声器的开和关。在主机后面板上。 ： 3. OPT-1A型激光功率指示计是一种数字显示的光功率测量仪器，采用硅光电池作为光传感器，针对650nm波长的激光进行了标定，用于测量该波段的激光功率。如图： (1)前面板 ①表头 ：3位半数字表头，用于显示光强的大小。 ②量程选择钮：分为200uW、2mW、20mW、200mW四个标定量程和可调档；测量时尽量采用合适 的量程，如测得的光强为1.732mW，则采用2mW量程。可调档显示的是光强的相对值。 ③调零：调零时应遮断光源，旋动调零旋钮，使显示为零，调零完毕。 (2)后面板 ①电源开关按钮：电源开关（220VAC）。 光纤耦合半导体激光器失效模式分析 摘要：高功率半导体激光器在商用领域的应用越来越广泛，许多半导体激光厂家越来越重视商用激光市场，因此多年来以IPG为主要供应商的市场格局正逐步被打破，国内从2010年开始就有供应商开始生产光纤耦合激光器。经过几年的经验积累，光纤耦合的单芯片封装技术已趋于成熟。本文主要结合实际工作分析光纤耦合半导体激光器出现的各种失效模式和原因，仅供同行参考。作者认为，在中国仍未掌握芯片生产技术的前提下，激光厂家唯有选择优质的光纤和透镜组件，不断优化制造工艺和提高产品的可靠性，才能从国人所诟病的山寨大军中脱胎换骨，成为终端用户信赖的激光器件提供商，才能成为成为行业的领先者。 关键字:光纤镀膜，激光器，耦合效率，芯片COD，光纤燃烧，裸光纤端面研磨清洗, 增透膜，高透高反膜 （一）半导体激光器尾纤耦合工艺 光纤耦合半导体激光器的工艺是先使用一个柱面透镜准直快轴发散角（慢轴角度较小，短光程不需准直），再把准直后的激光耦合入一根多模尾纤(图1.)。这种看似非常简单的原理应用在大批量生产上并不容易，因为其中光纤移动的几何空间是微米级别，照射在柱面透镜或者光纤端面的激光功率密度达到兆瓦/平方厘米，十分容易出现失之毫厘，差之千里的结果。影响激光耦合效率有多方面的因素，例如芯片出光孔径大小，快慢轴角度，模块散热效果，柱面透镜加工精度和光纤端面镀膜质量等。 图 1.单芯片半导体激光器光纤耦合示意图 （二）常见光纤耦合半导体激光器失效模式 高功率光纤耦合半导体激光器器件最常见的失效模式如图2，其中芯片端面光学损伤（COD: catastrophic optical damage）超过60% ，耦合效率偏低次之。下文将针对各种失效模式进行逐一分析。 图 2.单芯半导体激光器失效模式（光纤耦合模块） STFB系列光纤耦合半导体激光器 高功率、高亮度半导体激光器，主要用于医疗、打标头泵浦和材料加工。 SMA905接头便于光纤连接。 热沉热传导，风冷，免去笨重的水冷。 已安装两个温度传感器(NTC/PT100) 可以附带红光指示和输出功率监测，也可以供应相应传输光纤。 光学参数 连续激光功率(W) 30 32 中心波长λ(nm) 805-810, 915, 940, 975-9801 波长偏差(nm) ±10 (±3, ±2)2 谱宽(FWHM) (nm) < 5 (<4)2 波长温漂λ3 (nm/K) ~0.3, ~0.35, ~0.4 光纤参数 光纤芯径(um) 200 400 数字孔径NA 0.22 光纤接头SMA905 电气参数 典型工作电流(A) 40 40 最大工作电流(A) 50 50 极限电流(A) 60 60 典型阈值电流(A) 5 - 8 典型系列(%) 42 44 典型斜效率(W/A) 0.7 – 1.0 工作电压(V) < 2 反向电压(V) < 2 热参数 STFB xxx F-xxxx - xxxx - xxxx - xxxx - xxx 输出功率光纤芯径中心波长波长偏差监测二极管红光指示 30W 32W 200um 400um 808, 806, 807, 808, 809, 810, 915, 940nm T0=±10nm T2=±2nm T3=±3nm M0=不含监测二极管 M3=含监测二极管 P0=不含红光指示 P2=含红光指示 例子：STFB30F200-980-T3M3P0，30W光纤耦合半导体激光器，980nm波长，波长偏差±3nm，光纤芯径200um，含监测二极管，不含红光指示。 上海磐川光电科技有限公司 带尾纤激光器（光纤激光器） 产品说明书 专业术语：带尾纤激光器 俗称：光纤激光器,尾纤激光模组, 通讯光纤激光头 产品特点：*半导体激光管芯； *智能调制电路； *高效透过率光学系统； *低功耗，高效能光功率输出； *光斑模式TEM； 应用领域：光纤通讯，特殊环境下工业标线定位，防伪检测，机械、石材切割金属锯床、SMT/电路板的对刀、标线、定位、对齐等 带尾纤激光器的特点利用激光器的单色性好、相干性好、方向性好以及高亮度之外，光纤头可弯曲灵活性号，准直性高，光斑很小是其最大特点，可以广泛应用于光纤通讯、工业检测、工业机械、数控设备、电动工具、工程施工、建筑装璜、印刷、纺织服装、切割焊接等领域的激光定位、激光标线、激光水平、激光垂准、激光指示仪以及激光娱乐照明等；.方便快捷、直观实用、易于安装、稳定可靠，可以提高工作效率，降低人力和生产时间的成本，提高工作精确度。 激光光斑效果 （工业应用场合） 售后服务 产品提供一年质保，三年保修。 使用注意事项 1）使用应注意相关的激光使用安全规定，不能直射人眼； 2）激光器中半导体激光管属静电敏感器件，应遵守相关的静电防护规定。测试和使用环境应保证没有静电； 3）电源线请勿用力拽拉； 4）电源电压不要超过DC 5 V，最好选用激光器专用直流稳压电源供电，“+”（红线）、“?”（黑线）极性绝对不可接反； 5）激光器通电时，“+”（红线）、“?”（黑线）极电源线绝对不可短路，以免烧毁激光器； 6）自制稳压电源请注意消除浪涌脉冲电压电流，稳压5V或<5V将延长使用寿命，避免在各种浪涌脉冲较大的场合中使用激光器； 7）激光器人为损坏或私自拆开激光器后不予保修 半导体激光器和光纤的耦合 高树理 (西安建筑科技大学理学院,西安710055) 摘要:半导体激光器与光纤的耦合是提高EDFA性能的关键技术之一,论文详细分析光纤与半导体激光器耦合的各种方法,最后总结出了提高耦合效率的研究方向。 关键词:光纤;半导体激光器;耦合效率 中图分类号:TN248文献标识码:A文章编号:1008-8725(2010)02-0028-03 Coupling of Semiconductor Laser with Fiber GAO Shu-li (College of Science,Xi c an University of Archi tecture&Technology,Xi c an710055,China) Abstract:The coupling of semiconductor laser with fiber is a key technology to obtain EDFA with high perfor-mance.Methods of c oupling of semiconduc tor laser with fiber are analyzed in the paper.The direction of re-search to improve the coupling efficiency is summarized at last. Key words:fiber;semiconductor laser;the coupling efficiency 0引言 近年来,半导体激光器与光纤的耦合技术得到了迅速发展,而且日趋成熟。按照半导体激光器与光纤之间是否存在光学元件,将耦合方式分为两种,即直接耦合与间接耦合。因为LD 和平面光纤的耦 图2T2中断服务程序流程图 5结束语 文章讨论了传统频率测量方法的原理及误差。 在此基础上,对多周期同步测频技术的原理及其误 差进行了详细分析。由于多周期同步测频技术的测 量精度与被测信号的频率无关,实现了整个测量频 段内的等精度测量,消除了M法中对被测脉冲信号 的计数量化误差,克服了M P T法中高低频两端精度 高而中界频率附近测量误差最大的缺陷。提出了基 于AT89C52实现多周期同步测频方法,利用T2的捕 捉功能和外部中断产生与待测信号同步的闸门时 间,通过T2的定时功能实现了时基信号与待测信号 的同步计数,使得系统只用一个定时器P计数器T2 就实现了多周期同步测频技术,该系统软硬件结构 简单,具有较高的测量精度和较短的系统反应时间。 参考文献: [1]尹克荣.智能仪表中的频率测量方法[J].长沙电力学院学报, 2002,17(1):74-76. [2]章军,张平,于刚.多周期同步测频测量精度的提高[J].电测与 仪表,2003,40(6):16-18. [3]王连符.测频系统测量误差分析及其应用[J].中国科技信息, 2005. [4]李全利.单片机原理及应用技术[M].北京:高等教育出版社, 2001. [5]李群芳,黄建.单片微型计算机与接口技术[M].北京:电子工 业出版社,2002. [6]孙传友,孙晓斌,汉泽西,等.测控系统原理与设计[M].北京: 北京航空航天大学出版社,2002. (责任编辑王秀丽) 收稿日期:2009-12-04;修订日期:2009-12-22 作者简介:高树理(1983-),男,西安人,硕士研究生,助教,现在西安建筑科技大学从事光纤激光器的研究工作,E-mail: gaoshuli1983@https://www.360docs.net/doc/b614084149.html,。 第29卷第2期 2010年2月 煤炭技术 Coal Technology Vol129,No102 Feb,2010 STV-DLF系列高功率光纤耦合半导体激光器 STV-DLF是一款高功率光纤耦合半导体激光器，可以有多种输出功率、波长和光纤直径的组合。客户可以单独选择激光器或者集成了激光器和外围设备的交钥匙系统。 半导体激光器单元包含一个高功率、半导体激光器阵列和光学元件，激光器束可以高效率的耦合进入可分离和互换的单模阶跃光纤中。光纤直径范围从600微米到1200微米，输出功率从300W到数千瓦，光纤长度可以到50米或者更长，非常适合远程灵活的功率传输。 我们可以为客户量身定做诸如激光焊接、熔覆、切割和高速扫描处理系统，系统里也可以集成定位红光和监控传感器如照相机和测量锥。高度集成的激光器，保证了最少的安装时间和最大的生产时间。除此之外，我们还有很多控制器可以让客户根据需求选择，其中就包括微处理器，基于电脑的控制单元，我们也可以帮助客户集成标准的工业控制器。整个系统可以单机工作，也可以多机同时工作。 光纤耦合可以直接传输均匀激光束到工件上的任意位置，减少了直接安装半导体激光器在机器人手臂上而带来的成本增加、复杂性和危险性。 特点： 便于产线集成 光纤耦合，最高功率可以到4500W 结构灵活，便于伸缩 内部水流监控 工业级别安全光纤 长寿命 方便用户操作 紧凑便携 可靠高效 售后服务最小化 应用： 塑料焊接 激光熔覆 铜焊 硬化和热处理 泵浦光纤或者固体激光器 可选配置： 交钥匙系统集成 客户化或者下架光学系统和各种应用 指示光 方形光纤 脚踏操作 远程控制 远程网络控制 技术指标： 型号STV-DLF-500 STV-DLF-1000 STV-DLF-3000 STV-DLF-6000 最大输出功率(W) 500 1000 3000 6000 波长(nm) 808,915,940,980 808,915,940,980 808,915,940,980 808,915,940,980 波长数目 1 1 4 4 光纤芯径(um) 400,600,1000 600,1000 600,1000 1000 光纤长度5m 标准长度, 其他长度可以定做 光纤终端QBH QBH QBH QBH 外部水冷 温度(℃) 10 10 10 10 流量(GPM) 4 4 6 6 控制 客户界面 (GUI) 触摸屏触摸屏触摸屏触摸屏 外控接口安全互锁，数字I/O，模拟量功率控制（0-10V），网络 箱体 交钥匙系统机构标准 19” rack 标准 19” rack NEMA12 NEMA12 （产品图片1） 高亮度光纤耦合泵浦激光器的发展 摘要：文章将就nlight公司不断发展的高亮度激光二极管模块作一个报告。这些模块以nlight公司PearlTM产品平台为基础，在输出功率、亮度、波长稳定、波长性能方面显示突出优势。该系统基于十四个单管激光器，采用空间光聚焦方式将激光耦合到光纤芯径为105μm，数值孔径NA小于0.14的光纤。我们目前实现了超过100W的光功率在波长为9xx nm的二极管亮度超过了20MW/cm2-str,运行效率大约50%。另外结果也显示了超过70W的光耦合在8xx nm。也展示了在波长14xx nm和更长的波长有卓越的纪录的光纤耦合技术，其中功率超过15W，7.5mm-mrad的光束质量。这些高亮度，高效率，高波长稳定性的成果显示了下一代固体激光和光纤激光器所需的泵浦技术。 关键词：光纤耦合二极管激光器、高亮度。 1.介绍 高亮度光纤耦合二极管激光器打开了二极管激光器在工业和泵浦应用上新的应用领域。nLIGHT公司已展示了具有优越亮度的设备应用在各种工业和泵浦应用中。 在Photonics West 2009 展会上nLIGHT公司介绍了高亮度光纤耦合激光器二极管模块，展示了超过100W光功率耦合进105μm，0.15 NA的光纤，相对应的亮度超过20 MW/cm2-str1。本文着重介绍了这项技术的应用在泵浦模块从79x 到15xx nm。一如往常，这些设备都是基于nLIGHT公司高功率大面积单管结构的专利，即自由空间组合的一个简洁和廉价的方法2。这种方法保留了激光二极管的功率和高亮度，造就具有最佳亮度和效率的设备。 2.高亮度泵浦激光器应用 对高亮度的激光模块结构发展的几点注意事项。首先，平台和工具必须与波长无关，使其适用于整个频谱激光二极管。其次，光设计的效率应尽可能高。最后，激光二极管模块的可靠性，必须充分被评估和验证。 nLIGHT公司的高亮度激光二极管模块最初是为泵浦光纤激光器而研制。更高亮度泵浦源能够使更高功率的光纤激光器通过其性能空间地耦合更大数量的泵浦和更有效的将它们耦合到光纤中。脉冲光纤激光器也需要高亮度泵浦模块，以减少有源光纤长度和相应光纤的非线性。在脉冲光纤激光器设法处理好非线性以使激光器脉冲长度更短和峰值功率更高。 过去几年我们致力于解决泵浦应用包括以下几点： 直接半导体光纤耦合激光器 1、IPG光纤激光器原理 如下图1所示光纤激光器的工作原理如下：输入的三相电进入激光器主电源，转换成60VDC...75VDC的直流电，为泵浦激光二极管(半导体激光)供电泵浦光二极管输出980nm的泵浦光，泵浦光光纤耦合到有源光纤中，有源光纤掺杂了稀土元素镱离子Yb，镱离子Yb吸收980nm的泵浦光，其内层电子被激发到外层，外层电子不稳定，会回落内层，期间产生10701nm的光子，光子在光纤内被两个反射器件持续反射增强，形成激光输出。 图1 掺杂Yb稀土离子的双包层光纤泵浦示意图 IPG光纤激光器采用双向泵浦结构，可以将多个半导体(LD)泵浦模块耦合到一根光纤中，大大提高了激光输出功率，见下图2所示。 图2 IPG光纤激光器泵浦结构原理图 2、半导体激光器 半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。 半导体激光器可以采用注入电流泵浦的方式，直接将电能转化为光能输出，具有体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等优点。上图3是半导体激光器的结构，通过直接电流注入的方式，使有源层中的载流子(空穴和电子)束缚在有源层中，实现粒子数翻转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时便产生受激发射产生激光。 图3 半导体激光结构 受到半导体器件尺寸的影响，单条半导体激光器很难做到千瓦级别，因此大功率半导体激光器通常由多个半导体激光发光单元通过一维阵列（bar）或多维阵列（stack）叠加而成，但是大口径光学系统在进行光束整形和聚焦时必定带来较大的像差，影响聚焦光斑的大小，因此提高半导体激光器的功率和改变光束质量是密不可分的。 下表1是不同类型的半导体激光器的结构类型，以及所报导的输出功率。 表1 不同结构的半导体激光器的类型以及输出功率高功率光纤耦合半导体激光器(ST)
高亮度光纤耦合半导体激光器
多模光纤激光器
大功率半导体激光器光纤耦合技术调研报告
光纤光学与半导体激光器的电光特性实验
高功率光纤耦合半导体激光器失效分析
STFB系列光纤耦合半导体激光器
带尾纤激光器(光纤激光器)
半导体激光器和光纤的耦合
高功率光纤耦合半导体激光器
高亮度光纤耦合泵浦激光器的发展
直接半导体光纤耦合激光器的研究现状