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目前市场上的高功率光纤耦合半导体激光系统，基本上都是使用bar条通过光束整形来制造的。虽然基于bar条的激光系统也能够把很高的能量耦合到一根光纤中，但由于bar条固有的器件热互扰问题和较低的光纤耦合效率，将使整个系统的工作效率较低。而且，这些激光系统往往体积较大、较为笨重，且结构复杂。nLIGHT公司开发的高功率光纤耦合半导体激光器，基于emitter结构，而不是使用bar条，能在很宽的波长范围内实现紧凑的结构、较高的亮度及较高的转换效率[1]。
emitter结构的优势
nLIGHT已经通过实践证明，采用emitter结构的半导体激光器比起采用bar条的激光器有独特、突出的优势。Emitter结构能增强激光器件的性能、提高加工过程中的成品率、增加器件的可靠性，并且还能简化系统内部的光学设计。
相比bar条的热互扰(cross-heating)缺陷，单emitter可使热量向热沉横向扩散，从而降低芯片的结温度，增加单 emitter的输出功率。例如，bar条的线性功率密度往往要小于20mW/祄，而单emitter则可以在超过50mW/祄条件下正常运行。
相比bar条结构，emitter结构还具有成品率更高的优势。因为对于emitter而言，可以单独对其分别进行老化测试和挑选。相比之下，bar条激光器很容易受到产品缺陷和工艺微小变化的影响，从而使得产品的成品率下降，增加了激光器成本。
另外在封装上，单emitter底面比bar条面积小很多，这使得emitter与下面热沉材料的热膨胀差别大大减少，从而减少封装过程中产生的应力。相比较采用bar条的激光模块通常的平均无故障时间（MTTF）——1～2万小时来说，基于emitter结构的激光模块的MTTF已经能够超过 10万小时。最后，光学设计将发光区直接成像耦合进入光纤，简单直接，因此耦合效率极高。
采用emitter结构的半导体激光器的高性能、高成品率、高可靠性和设计优势，直接提高了整个激光系统的性能。多个emitter的高线性功率密度可以转化为高亮度和高效率的半导体激光器件，还可进一步组建成高亮度的激光系统。每个emitter都可以单独进行光学准直，然后耦合到光纤中，这样能够实现大于95％的光纤耦合效率。通过精心设计器件的几何尺寸和相应的光路系统，可减小多个emitter间的无光区域间隔，从而保持激光器的高功率和高亮度特性，转换效率能达到50％～60％。
采用emitter结构的激光器体积小、结构紧凑，并拥有良好的热传导能力。与此相反的是，基于bar条的激光系统的光束整形需要使用复杂的光学元器件来变换bar条输出的不对称光，经过准直然后再聚焦进入光纤。通常，这种光束整形方法所实现的光纤耦合效率为70％～80％。此外，由于存在热互扰的问题，bar条的设计效率通常也只能达到40％～50％，由此产生的整体系统效率通常只有30％～35％，产生的大量的热量需要进行主动冷却。
Pearl系列产品 （图片）
图1. 左图为可容纳多达10个单emitter二极管的Pearl模块，外形子尺寸为96.5mm 50mm 19.5 mm；右图为高功率Pearl模块，外形尺寸为124mm 50mm 23 mm nLIGHT的高亮度PearlTM系列产品基于emitter结构，该系列产品结构紧凑、尺寸小巧，却仍然具有较高的输出功率。Pearl系有两种非常小巧的商用模块设计：96.5mm 50mm 19.5 mm和124mm 50mm 23mm，如图1所示。尽管外形非常小巧，但这些器件拥有非常高的单位体积功率。例如，由10个emitter组成的小尺寸Pearl模块，可产生超过 80W的光功率，并能够耦合进一根芯径为200祄的多模光纤中；而由有16个emitter组成的稍大尺寸的Pearl模块，能产生超过120W的光功率，也能够耦合进一根芯径为200祄，NA为0.22的多模光纤中去。这些功率对应的功率/体积比值都大于0.9W/cm3。两种尺寸模块的L-I-V曲线如图2所示。相比之下，多bar条结构的光纤耦合模块的单位体积功率介于0.05～0.26W/cm3之间。虽然典型的单bar条结构的光纤耦合模块能提高至0.25～0.75W/cm3之间，但这通常也仅限于光功率小于40W的激光器系统。（图片）
图2.（左）Pearl模块产生大于80W的光功率耦合到芯径为200祄的光纤中，此模块的单位体积功率大约为 0.95W/cm3。（右）Pearl模块产生大于120W的光功率耦合到芯径为200祄的光纤中，此模块的单位体积功率大约为0.93W/cm3。这两个模块的输出波长均为976nm，光谱半高宽小于3.5nm。 除了能以小尺寸结构提供高功率的应用外，nLIGHT的Pearl产品线还可提供高亮度的激光应用[2]。为了满足高亮度激光市场的需求，nLIGHT使用6个emitter输出约40W的光功率，并将它耦合进入一根芯径仅为100祄、NA为0.22的光纤中去，对应的亮度已经超过 5.5mW/cm2 *球面度。这是一个极具竞争力的亮度值。在完成输出高亮度激光的同时，nLIGHT并没有牺牲应有的转换效率。该高亮度激光系统在工作条件下的电光转换效率超过45％，如图3所示。（图片）
图3. （左）Pearl模块把超过40W的光功率耦合到芯径为100祄、NA为0.22的光纤中，在40W功率时效率接近50％，模块的亮度大约是 5.5mW/cm2*球面度，外形尺寸为96.5mm 50mm 19.5mm，输出波长为976nm。（右）高效Pearl模块功率超过100W时系统的效率大于55％，耦合到芯径为400祄的光纤中，输出波长为 940nm。 在用户需要更高转换效率的激光应用场合，nLIGHT把16个emitter产生的超过100W的光功率耦合到芯径为400祄、NA为0.22 的多模光纤中去。在光纤输出端的测量结果表明，产品峰值电光效率能大于60％，典型转换效率大于59％。相信这是迄今为止已有的转换效率最高的一个高功率、高亮度光纤耦合系统，见图3。
总之，nLIGHT公司基于emitter结构的激光器产品，外形小巧紧凑，具有十分突出的输出功率和亮度。该产品能够提供前所未有的高转换效率（在众多波长下的转换效率值都超过50％）。此外，此产品具有极高的输出亮度，亮度值超过5.5 mW/cm2 *球面度。
参考文献：
1. S. Patterson, et al., DEPS 20th SSDLTR, (2007).
2. P. Leisher, et al., Proc. SPIE, vol. 6952, (2008).
6/11/2009
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