摘要

近年来随着光纤激光器的快速发展，市场上对半导体激光器泵浦源的指标要求越来越高，促进了轻量化高效率泵浦源的研究。本文主要介绍了BWT轻量化高效率泵浦源的最新研究进展。2023年，BWT报道了功重比为2.3W/g的泵浦源。通过进一步优化光学设计，平衡轻质化材料和散热的矛盾，采用多单管耦合、空间合束和偏振合束的方案，BWT于2024年报道了更高功重比的泵源。

关键词: 轻量化，半导体激光器，高功率，高亮度，多单管

1. 背景介绍

随着光纤激光器的快速发展，对半导体激光泵源的重量、体积、电光效率和亮度的要求越来越高。 ^[1] 用于国防和工业应用的紧凑型高能激光(HEL)系统的低尺寸、轻量化和低功耗(SWaP：low size, weight and power-consumption)光纤耦合泵源的需求也在不断增加。[2] SWaP泵源通过优化结构和光学设计，减轻重量、减小尺寸，提高耦合效率，降低功耗，从而实现高电光效率、小尺寸、轻量化的指标。

如图1所示，2022年BWT报道了一款SWaP半导体激光泵源，该激光器采用vbg实现波长锁定，输出重量小于190 g。11A时输出功率可达200w, 电光效率超过50%。密封胶实现密封的同时获得结构紧凑的尺寸，泄漏率控制在10-9 Pam3s-1以下。该产品的功重比为1.05W/g，体积功率比为0.64 cm3/W。[3] 2023年，BWT报道了一款SWaP半导体激光泵源，其功质比为2.3W/g。外壳材料主要是轻质化材料，通过空间光束和偏振光束，实现了105μm芯径光纤、电光效率为51.5%、功率147.8W锁波长激光输出。[4]同年，BWT开发了新的SWaP半导体激光泵源，135μm芯径的光纤，功率输出260W，重量比为2.9W/g;，光纤芯径200μm，输出功率为480W，功质比为1.5W/g。

本文主要介绍了BWT功重比为2.5W/g的最新SWaP半导体激光泵源产品，管壳材质主要为轻量化材料，通过空间合束和偏振合束实现功率和亮度的提升，由105μm芯径的光纤输出功率130W，电光效率为50.4%。

图1 凯普林轻量化产品系列图

2. 仿真 

根据图2所示，实现SWaP的技术路线主要是提高芯片的功率和电光效率，优化结构设计和光路设计，提高热转换效率，提高元器件密集度。

首先，根据105μm芯径光纤和目前市场上的芯片参数，选择合适功率和光束质量的芯片，芯片参数如图3所示。

其次，根据所选芯片进行光学设计，优化光学参数，考虑工程实现难度的同时减少空间尺寸的浪费，实现密集化排布。由于SAC(慢轴准直镜)需要实现最佳的准直效果，SAC到芯片的距离是确定的；并且需要在满足高耦合效率的同时实现高电光效率的输出，而短焦距的SAC不能满足光路的要求，长焦距会导致芯片和SAC的距离过长，浪费了空间尺寸，降低了集成度。如图4所示，通过仿真对比发现，通过设计合适的弯月柱面镜，不仅可以缩短芯片与SAC之间的距离，同时可以满足高耦合效率的要求。根据图4的仿真结果，最终确定了图5的光路设计，得到图6所示的光路仿真结果，耦合效率约为96%。

其三， 根据优化后的光路设计进行了机械设计。结合散热模拟，确定了芯片的间距、光路排布方式和管壳材料。由于芯片的功率小于15W，热功率小于10W，所以常用的铝材质可以满足散热的要求。光路排布结合应力模拟确定了最终的管壳结构。

Fig. 2 SWaP方案技术路线

Fig. 3 芯片测试参数

Fig. 4 弯月柱面镜和普通柱面镜的模拟结果对比

              a: 普通柱面镜工作距为19.37mm，厚度为2mm，L1= 21.37mm

b: 弯月柱面镜工作距为 10.6mm，厚度为 4.18mm. L1= 14.78mm. 芯片到柱面镜的可以缩减约6.6mm。

Fig. 5 光路设计

Fig. 6 合束后的光斑和光纤耦合端的模拟结果

a: 光纤耦合端的光斑模拟图

b: 合束后的光斑图

3. 结果

根据理论模拟完成了样机的装调，7个芯片在快轴方向进行空间合束，然后通过偏振合束进一步提高功率和亮度，通过聚焦镜耦合进芯径为105μm的光纤，得到如图7所示测试结果：105μm芯径光纤在电流11A时输出功率为130W，纤外的电光效率为50.4%，中心波长为976.1nm，半高全宽光谱为0.2nm。该泵源的外观和重量如图8所示：组件重量为52.3g，功重比为2.5W/g。图9为所述模块的尺寸图：模块尺寸为83mm*32.5mm*12mm，体积为32370mm³。

Fig. 7 PI曲线和光谱图

Fig. 8 重量图和外观图

Fig. 9 三维尺寸图

表1为泵源的可靠性试验计划和进展。泵源已经通过低温贮存试验和温度循环试验，并进行了500h老化试验无异常。试验前后功率变化率如图10所示，功率变化率小于3%，试验通过。后续会继续进行老化试验和机械振动冲击相关可靠性试验。

表1 泵源的可靠性试验计划和进展

Fig. 10 试验前后功率变化.

4.总结

本文报道了一款波长锁定SWaP半导体激光泵源，105μm芯径 0.22NA的光纤输出功率130W，电光效率为50.4%。通过热仿真，优化光路，合适的光学参数模拟和管壳材料选择，将模块重量降低到52g，功重比达到2.5W/g。泵源通过了低温贮存试验和温度循环试验，并进行500h的老化试验。接下来，将继续进行老化试验和机械冲击振动试验。随着芯片功率的进一步增加，结合导热系数更高的材料，以及复合材料的使用，可以进一步改善散热和减轻重量，进一步提高功质比和电光效率。

（上述论文由凯普林发表于SPIE）