高功率、高亮度、轻量化半导体激光泵浦源
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:

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。
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:

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:


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:

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


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