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半导体激光器的常见封装形式有单管封装、线阵封装和堆栈封装[1]。使用单管封装的半导体激光器作为基本发光单元，按照一定的阵列进行排列，利用多种镜片组合对光束进行空间合束，可以实现大功率的激光输出。这种多单管半导体激光器由于具有体积小、散热好、输出稳定、光束质量较好等优点，得到了广泛的应用[2]。但多单管半导体激光器相对于其他封装类型的半导体激光器，输出功率仍然较低，不能满足要求，仍需要采用适当的方式进一步提升功率。
市面上常见的多单管半导体激光器多采用阶梯式热沉设计，并利用偏振合束、多波长合束等方式实现输出功率的提高，然后耦合进光纤实现光束匀化[3-5]。COS封装的单管半导体激光器发光区域通常为长条形，常用的方法是在快轴方向利用经过设计的阶梯式热沉实现光束的叠加，合束后的光斑多为快轴方向较长的长方形光斑[6]。由于光纤横截面呈圆形，通过耦合镜耦合进光纤时，慢轴方向光束能量不能充满光纤横截面。针对这种问题，本文提出了一种填充慢轴方向光束的方法，更加高效地提高光纤输出的功率。本文基于ZEMAX光学模拟软件[7]，对12路波长为860 nm、输出功率为3 W的多单管半导体激光器进行模拟，8路为阶梯式排列，4路为填充光束，将合束后的光束耦合进芯径105 μm、数值孔径0.22的光纤中，有效地提高了输出功率和耦合效率。
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常见的阶梯排列多单管半导体激光器合束后光斑如图1所示。可以看出，在快轴方向叠加光束后，在慢轴方向上光斑尺寸明显小于快轴方向光斑尺寸，为了提高耦合进光纤的激光能量。在快轴方向两侧各填充两个单管光束，如图2所示。
图 1 常见的阶梯排列多单管半导体激光器光斑图
Figure 1. Light spot of step arrayed multiple single-tube semiconductor laser
图 2 填充后光斑示意图
Figure 2. Spot after filling
在满足激光耦合进光纤的条件下，可以使更多的激光能量耦合进光纤中，从而提高光纤的输出功率。同时，在使用相同孔径的聚焦耦合镜时，更加充分地利用了聚焦镜的通光孔径。
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通常通过计算光束质量来判断阵列排布的多单管半导体激光器最终能否耦合进选定的光纤。光束的光束质量越高，光斑的尺寸就越小，激光功率密度就越大。通常使用光束的束腰半径与远场发散角的乘积来评价光束质量，即光参数积（BPP）。在以阵列排布的非相干半导体激光中，光参数积的计算通常采用发光阵列整体强度分布的束腰半径（
${\omega _{{\rm{tot}}}}$ ）及远场发散角（${\theta _{{\rm{tot}}}}$ ）。首先考虑典型的一维阵列，如图3所示，共有数量为2N＋1个相同的光束。图中：
${x_0}$ 为光束间距，${\omega _0}$ 为每束光的半径。${x_0}$ 和${\omega _0}$ 是强度分布的一阶矩或者二阶矩，则
图 3 一维光束阵列
Figure 3. One dimensional beam array
$${\omega _0} = 2{\sigma _\chi } \sigma _x^2 = \frac{1}{{{P_0}}}\displaystyle\int {x^2} {I_0}\left( x \right){\rm{d}}x$$ (1) $${x_0} = \frac{1}{{{P_0}}}\displaystyle\int x {I_0}\left( x \right){\rm{d}}x$$ (2) 式中：
${I_0}$ 为光束一维光强分布；${\sigma _x}$ 为${I_0}$ 的二阶矩，${P_0}$ 为一维光强分布的总功率。总体光强分布
${I_{{\rm{tot}}}}$ 和总功率${P_{{\rm{tot}}}}$ 为$${I_{{\rm{tot}}}} = \displaystyle\sum\nolimits _n^N = - {N^{{I_0}\left( {x + n \cdot {x_0}} \right)}}$$ (3) $${P_{{\rm{tot}}}} = \left( {2N + 1} \right)\displaystyle\int {I_0}\left( x \right){\rm{d}}x = \left( {2N + 1} \right){P_0}$$ (4) 一维光束阵列的总的发散角
${\theta _{{\rm{tot}}}}$ 与每条光束的远场发散角${\theta _0}$ 相同，即$${\theta _{{\rm{tot}}}} = {\theta _0}$$ (5) 则总光束的束腰半径可以表示为
$$\omega _{{\rm{tot}}}^2 = 4\sigma _x^2 = \frac{4}{{{P_{{\rm{tot}}}}}}\displaystyle\int {x^2}{I_{{\rm{tot}}}}\left( x \right){\rm{d}}x$$ (6) 将公式（4）代入公式（6）中，转换坐标及近似计算后得出包含2N＋1个独立光束的总光束的半径，F定义为填充因子，有
$$\omega _{{\rm{tot}}}^2 = 4\sigma _x^2 + \frac{1}{3}\Bigg[(2N + 1)_{}^2 - 1\Bigg] x_0^2$$ (7) $$ \omega _{{\rm{tot}}}^{} \cong 1.14 (2N + 1) \omega _0^{} F\;\;\;\;\;({\rm{for}}\;x_0^{} \gg \sigma _x^{},N > 1) $$ (8) $$F = \frac{{{x_0}}}{{2{\omega _0}}}$$ (9) 在实际应用中，如果独立光束间距紧密，即填充因子F近似等于1，包含2N＋1个独立光束的总光束半径就等于每个光束半径的2N＋1倍。
对于二维光束分布来说，在垂直于光束传播方向的平面的两个正交方向上，即快慢轴方向，可以分别计算光束质量。为了保证光纤耦合高效率的输出，在快、慢轴方向的光参数积需要满足
$$BP{P_{{\rm{fa}}}} < \frac{{{d_{{\rm{fiber}}}}/2}}{{\sqrt 2 }} \times \frac{{{\theta _{{\rm{fiber}}}}}}{{\sqrt 2 }} < \frac{1}{2}BP{P_{{\rm{fiber}}}}$$ (10) $$BP{P_{{\rm{sa}}}} < \frac{{{d_{{\rm{fiber}}}}/2}}{{\sqrt 2 }} \times \frac{{{\theta _{{\rm{fiber}}}}}}{{\sqrt 2 }} < \frac{1}{2}BP{P_{{\rm{fiber}}}}$$ (11) 式中：
$BP{P_{{\rm{fa}}}}$ 为光束快轴方向光参数积；$BP{P_{{\rm{sa}}}}$ 为光束慢轴方向光参数积；$BP{P_{{\rm{fiber}}}}$ 为光纤固有光参数积；${d_{{\rm{fiber}}}}$ 为光纤芯径；${\theta _{{\rm{fiber}}}}$ 为光纤数值孔径。 -
在实际应用中，如果独立光束间距紧密，即填充因子F近似等于1，包含2N＋1个独立光束的总光束半径就等于每个光束半径的2N＋1倍。
本文采用LDX Optronics公司生产的860 nm半导体激光器芯片，其快慢轴参数如表1所示。
表 1 LDX Optronics 860 nm芯片参数
Table 1. Parameters of LDX Optronics 860 nm laser diode
d/mm θ/mrad slow axis 0.1 61 fast axis 0.001 6 697 由于快慢轴方向光束发散角均偏大，为了后续进行空间合束等操作，先利用柱面镜对光束进行准直。基于芯片参数对光束准直进行模拟，得到准直后快慢轴参数，如表2所示。
表 2 准直前后860 nm快慢轴芯片参数
Table 2. Parameters of LDX Optronics 860 nm
d/mm θ/mrad BPP/（mm∙mrad） slow axis before collimation 0.1 61 3.05 slow axis after collimation 0.7 9.2 3.22 fast axis before collimation 0.001 6 697 0.28 fast axis after collimation 0.2 5.7 0.29 在ZEMAX中对多单管半导体阵列进行设计，将快轴方向光束半径设置为0.1 mm，发散角为3 mrad，慢轴方向光束半径为0.35 mm，发散角为5 mrad。在快轴方向间隔0.4 mm设置阶梯叠加8束光束，总光束半径为1.5 mm。在慢轴方向，沿着光束中心位置左右各填充2个独立光束，总光束半径为1.05 mm。整个单管半导体阵列共12个发光单元。单个发光单元输出能量设定为3 W。光路结构如图4所示。
图 4 填充后的多单管半导体激光器阵列光路结构
Figure 4. Multiple single tube semiconductor laser after filling
欲耦合进芯径105 μm、数值孔径0.22的光纤中，计算快慢轴方向和光纤的光参数积分别为
$$BP{P_{{\rm{fa}}}} = \frac{{{d_{{\rm{fa}}}}}}{2} \times {\theta _{{\rm{fa}}}} = 4.5\;{\rm{mm}} \cdot {\rm{mrad}}$$ (12) $$BP{P_{{\rm{sa}}}} = \frac{{{d_{{\rm{sa}}}}}}{2} \times {\theta _{{\rm{sa}}}} = 5.25\;{\rm{mm}} \cdot {\rm{mrad}}$$ (13) $$BP{P_{{\rm{fiber}}}} = \frac{{{d_{{\rm{fiber}}}}}}{2} \times {\theta _{{\rm{fiber}}}} = 11.55\;{\rm{mm}} \cdot {\rm{mrad}}$$ (14) 式中：
${d_{{\rm{fa}}}}$ 为快轴方向光斑直径，${\theta _{{\rm{fa}}}}$ 为快轴方向光束发散角，${d_{{\rm{sa}}}}$ 为慢轴方向光斑直径，${\theta _{{\rm{sa}}}}$ 为慢轴方向光束发散角。由式（12）～（14）计算结果可知，快慢轴方向的光参数积均小于光纤固有的光参数积的1/2，满足了将激光耦合进光纤的条件。
在使用同样的聚焦镜、光纤位置一致的情况下，未增加填充光束与增加四路填充光束的合束光斑与耦合进光纤后光纤输出光斑如图5、图6所示。由光纤输出功率可见，增加填充光束后激光输出功率得到明显提高。
图 5 填充光束前光斑图
Figure 5. Spots before adding filling beams
图 6 填充光束后光斑图
Figure 6. Spots after adding filling beams
两种情况下计算光纤耦合效率，如表3所示。通过耦合结果可以看出，在不影响耦合效率前提下，对常规阶梯型多单管半导体阵列进行填充，可以提高激光输出功率。
表 3 两种情况光纤耦合情况
Table 3. Two cases of fiber coupling
power before collimation /W power after collimation /W coupling efficiency /% before filling 24 21.7 90.42 after filling 36 33.4 92.78 -
本文对常见的阶梯型多单管阵列进行改进。通过分析常见的合束光斑，对光斑尺寸较小的慢轴方向进行填充。使用光束参数积来评价光束质量，通过理论计算验证了填充光束的可行性。使用ZEMAX软件模拟仿真了8路常见阶梯型多单管阵列及12路填充阵列，阵列中每个单管半导体激光器的输出功率为3 W，并将合束输出光束耦合进纤芯105 μm、数值孔径0.22的光纤中。12路填充阵列的输出功率为33.4 W、耦合效率为92.78%。通过对比两种阵列的输出功率及耦合效率，验证了慢轴光束填充的可行性，结合偏振合束等手段，可以进一步提高多单管半导体激光的输出功率。
Research on fiber coupling of multi-single emitters diode laser based on beam filling
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摘要: 为了进一步提高多单管半导体激光器的输出功率，通过对常见的阶梯型多单管半导体阵列进行分析，提出在光斑尺寸较小的慢轴方向对光束进行填充，在同样的耦合条件下，使更多的激光能量耦合进光纤中，实现更高功率的输出。文中使用光参数积作为评价光束质量的指标，论证了慢轴光束填充的可行性，利用ZEMAX仿真软件对8路常见阶梯型多单管半导体阵列和12路填充阵列进行对比仿真，在不影响耦合效率的前提下，实现了将12路波长为860 nm、输出功率3 W的单管半导体激光器耦合进芯径105 μm、数值孔径0.22的光纤中，光纤输出功率为33.4 W，光纤耦合效率为92.78%。仿真结果表明，对慢轴方向进行光束填充可以在一定程度上提高多单管半导体激光的功率输出。Abstract: To further improve the output power of the multi-single emitters diode laser, based on the analysis of the common stepped multi-single emitters diode laser array, this paper proposes to fill the beam in the slow axis direction with small spot size, and under the same coupling condition, more laser energy is coupled into the fiber to achieve higher power output. The beam-parameter product is used as the index to evaluate the beam quality, and the feasibility of slow axis beam filling is demonstrated. By using ZEMAX simulation software, the comparison simulation of 8-way ladder type multi-single emitters diode laser array and 12-way filling array is carried out. On the premise of not affecting the coupling efficiency, the 12 single emitters diode laser with center wavelength of 860 nm and output power of 3 W is coupled into a fiber with core diameter of 105 um and numerical aperture of 0.22, the output power is 33.4 W and the coupling efficiency is 92.78%. The simulation results show that the slow axis beam filling can improve the power output of the diode laser to a certain extent.
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Key words:
- single emitter diode laser /
- spatial combination /
- ZEMAX /
- fiber coupling
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图 1 常见的阶梯排列多单管半导体激光器光斑图
Figure 1. Light spot of step arrayed multiple single-tube semiconductor laser
图 4 填充后的多单管半导体激光器阵列光路结构
Figure 4. Multiple single tube semiconductor laser after filling
表 1 LDX Optronics 860 nm芯片参数
Table 1. Parameters of LDX Optronics 860 nm laser diode
d/mm θ/mrad slow axis 0.1 61 fast axis 0.001 6 697 
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表 2 准直前后860 nm快慢轴芯片参数
Table 2. Parameters of LDX Optronics 860 nm
d/mm θ/mrad BPP/（mm∙mrad） slow axis before collimation 0.1 61 3.05 slow axis after collimation 0.7 9.2 3.22 fast axis before collimation 0.001 6 697 0.28 fast axis after collimation 0.2 5.7 0.29
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表 3 两种情况光纤耦合情况
Table 3. Two cases of fiber coupling
power before collimation /W power after collimation /W coupling efficiency /% before filling 24 21.7 90.42 after filling 36 33.4 92.78
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