Разработка блока лазерного излучателя для аддитивных технологий на основе лазерных диодов непрерывного режима генерации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Котова Екатерина Ильинична

• Котова Екатерина Ильинична
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Котова Екатерина Ильинична

Реферат

Synopsis

Введение

1 Аналитический обзор научно-технической литературы

1.1 Характеристики полупроводниковых лазерных диодов как исходные данные для моделирования и расчета оптических систем

1.2 Принципы проектирования оптической системы ЛДМ

1.2.1 Коллимационные оптические системы, работающие с ЛД

1.2.2 Оптические схемы пространственного объединения лазерных пучков

1.2.3 Базовые схемы ввода излучения в оптическое волокно

1.2.4 Лабораторные схемы юстировки и ввода излучения в оптическое волокно

2 Методы и средства автоматизированного проектирования и моделирования работы оптических систем

2.1 Моделирование источника излучения

2.2 Моделирование оптических элементов

2.3 Моделирование оптических покрытий

2.4 Моделирование приемников излучения

2.5 Оптимизация параметров оптических элементов

3 Компьютерное моделирование оптической системы ЛДМ с волоконным выходом спектрального диапазона 975-980 нм

3.1 Моделирование источника излучения

3.2 Параметрический расчет оптической системы ЛДМ

3.2.1 Коллимационная система ЛДМ

3.2.2 Пространственное объединение лазерных пучков

3.2.3 Поляризационное объединение каналов ЛДМ

3.3 Анализ эффективности ввода излучения в ОВ

Выводы по главе

4 Компьютерное моделирование оптической системы ЛДМ с волоконным выходом спектрального диапазона 445-450 нм

4.1 Моделирование источника излучения

4.2 Параметрический расчёт коллимационной оптической системы

4.3 Пространственное объединение лазерных пучков

4.4 Анализ эффективности ввода излучения в ОВ

Выводы по главе

5 Сборка и юстировка опытного образца ЛДМ

5.1 Оптическая система опытного образца ЛДМ

5.2 Экспериментальный стенд для сборки ЛДМ

5.3 Метод сборки опытного образца ЛДМ

5.3.1 Подготовительный этап

5.3.2 Сборка опытного образца

5.4 Верификация компьютерной модели

5.5 Выходные характеристики ЛДМ

Выводы по главе

Основные публикации по теме диссертации

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение 1 Тексты публикаций

Реферат

Общая характеристика работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка блока лазерного излучателя для аддитивных технологий на основе лазерных диодов непрерывного режима генерации»

Актуальность работы

Рост мирового рынка аддитивных технологий привел к необходимости создания высокоэффективных мощных источников излучения. Среди источников излучения лазерные диоды (ЛД) обладают наибольшим КПД, также к их преимуществам можно отнести небольшие размеры, высокую эффективность и низкую стоимость ватта оптической мощности. Современным промышленным трендом является увеличение выходной мощности источника излучения. Объединение нескольких ЛД в модуль с волоконным выводом позволяет создать источник мощного лазерного излучения - лазерный диодный модуль (ЛДМ).

Высокомощные ЛДМ с волоконным соединением широко применяются во многих областях техники, таких как обработка материалов и аддитивные технологии. Для аддитивных технологий и обработки металлов применяют ЛДМ различных спектральных диапазонов, в зависимости от эффективности поглощения излучения тем или иным материалом на различных длинах волн. Компактность ЛДМ и гибкость световодов позволяет применять данный тип устройств для мелких монтажных и сварочно-ремонтных работ в стесненных условиях, например, в судо- или машиностроении. Радиальная симметрия выходящего излучения делает результат обработки не зависящим от направления перемещения и хорошо подходит для обработки трехмерных изделий с помощью роботизированных систем. Такие модули также используются для накачки твердотельных и волоконных лазеров, в медицинском оборудовании, системах трехмерной визуализации, подсветки камер видеонаблюдения, а также системах технического зрения в тумане и условиях недостаточной освещенности.

Задача эффективного пространственного объединения излучения одиночных ЛД с его последующим вводом в оптическое волокно (ОВ) является крайне актуальной для создания мощных ЛДМ, так как неправильный выбор оптических компонентов и их неточная установка приводит к значительным потерям мощности, увеличению габаритов устройства и уменьшению КПД. Данное диссертационное исследование направлено на решение задачи создания отечественных конкурентоспособных высокомощных ЛДМ непрерывного режима генерации излучения, а также разработку метода их сборки и юстировки.

Целью настоящей работы является разработка и проектирование лазерного диодного модуля на основе полупроводниковых ЛД непрерывного

режима генерации с резонатором Фабри-Перо с вводом излучения в многомодовое ОВ.

Для достижения поставленной цели были выполнены следующие задачи:

1. Проведен аналитический обзор известных методов проектирования оптических систем ЛДМ различного спектрального диапазона;

2. Проведено моделирование и оптимизация оптической системы ЛДМ с выходной мощностью излучения около 900 ватт на основе ЛД с пиковой длиной волны 976 нм с вводом излучения в многомодовое ОВ с диаметром сердцевины не более 400 мкм и числовой апертурой 0,22;

3. Проведено моделирование и оптимизация оптической системы ЛДМ на основе ЛД с пиковой длиной волны 450 нм с вводом излучения (более 100 Вт) в многомодовое оптическое волокно с диаметром сердцевины 400 мкм и числовой апертурой 0,22;

4. Разработан комплекс для захвата, позиционирования и прецизионной юстировки оптических компонентов при сборке и корпусировании ЛДМ;

5. Изготовлен опытный образец ЛДМ с волоконным выходом на основе трех ЛД с суммарной выходной мощностью более 10 Вт.

Научная новизна работы

1. Впервые предложен метод построения оптических систем ЛДМ на основе попарного расположения ЛД на одном уровне для коллимации и пространственного объединения излучения от 23 пар отдельных ЛД со смещением по высоте каждой пары на 400 мкм относительно соседней. При этом излучение от каждого ЛД направлено друг навстречу другу, а их пространственное объединение выполняется путем отражения от близко расположенных плоских зеркал (менее 2 мм), установленных друг относительно друга под углом 90о, или отражающей призмой. Удвоение выходной мощности может быть достигнуто при добавлении идентичного массива излучателей и поляризационного объединения двух суммарных лазерных пучков.

2. Предложена конструкция ЛДМ с использованием синих ЛД (450 нм) в корпусе ТО-56 на основе пространственного уплотнения суммарного лазерного пучка двумя массивами плоских зеркал с вводом излучения в ОВ (диаметр сердцевины 400 мкм, числовая апертура 0,22).

3. Разработан метод юстировки оптической системы ЛДМ, позволяющий обеспечить точность позиционирования и сборки оптических компонентов около 1,00 ± 0,01 мкм.

Научная и практическая значимость работы

Практическая значимость результатов работы заключается в том, что полученные в диссертации результаты являются теоретическим, методологическим и технологическим заделом при разработке и изготовлении высокомощных ЛДМ с вводом излучения в ОВ, в частности:

• предложены новые методы пространственного уплотнения каналов

ЛДМ;

• разработан опытный образец ЛДМ с пиковой длиной волны 1020 нм и выходной оптической мощностью более 19 Вт;

• разработана методика и экспериментальный комплекс для сборки ЛДМ, включающие этапы захвата, позиционирования, юстировки и фиксации микрооптических компонент.

Теоретические аспекты диссертационного исследования нашли свое применение в учебных процессах Университета ИТМО, в публикациях, а также в выступлениях на международных и отечественных конференциях.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Предложенная оптическая схема для пространственного и поляризационного объединения излучения единичных лазерных диодов мощностью 11 Вт каждый позволяет свести более 90 каналов лазерных диодов и обеспечивает мощность вводимого в оптическое волокно излучения свыше 900 Вт.

2. Объединение 100 лазерных диодов в корпусе ТО56 мощностью 1,6 Вт каждый с длиной волны 450 нм в двумерную матрицу в соответствии с разработанной оптической схемой, включающей массивы плоских зеркал для пространственного сведения и уплотнения суммарного излучения, обеспечивает мощность вводимого в оптическое волокно излучения свыше 100 Вт.

3. Метод сборки массива полупроводниковых лазерных диодов, включающий три этапа: коллимацию, подбор отражающих элементов и фокусировку, обеспечивает реализацию лазерного диодного модуля выходной мощностью более 15 Вт.

Достоверность

Достоверность результатов исследования обеспечивается использованием стандартных теоретических методов исследования: вычисления проводились в программе для автоматизированного расчёта оптических систем Zemax с использованием численного метода трассировки лучей Монте-Карло. Верификация расчётной модели проводилась путем сопоставления результатов компьютерной модели и экспериментальных данных, полученных в процессе

сборки и юстировки опытного образца ЛДМ с волоконным выходом с применением современного высокотехнологичного оборудования. Результаты компьютерного моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными. Полученные результаты были представлены на научных конференциях и опубликованы в рецензируемых научных журналах, помимо этого по теме исследования получено два патента на полезную модель РФ.

Внедрение результатов работы

Результаты работы защищены патентами на полезную модель: № 188813 «Лазерный диодный модуль» (правообладатель - Университет ИТМО), № 188812 «Излучающий сумматор» (правообладатель - Университет ИТМО). Полученные результаты внедрены в образовательный процесс факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО. Результаты работы использовались в ходе выполнения научно-исследовательской работы в Университете ИТМО по теме: «Разработка технологии производства и создание опытных образцов высокомощных диодных лазерных модулей непрерывного режима работы диапазона 975-980 нм» в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», соглашение №2 14.578.21.0254 от 26 сентября 2017 г., уникальный идентификатор RFMEFI57817X0254.

Методология и методы исследования

1. Методы компьютерного моделирования оптических систем;

2. Методы автоматизированной оптимизации конструктивных параметров оптических элементов при непоследовательной трассировке лучей (методом Монте-Крало с использованием программного пакета Zemax);

3. Измерения остаточной расходимости лазерного излучения проводилось методом двух сечений по ГОСТ 26086-84.

Апробация работы

Результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих международных и российских конференциях:

• VI, VII, VIII Конгресс молодых ученых (2017, 2018, 2019);

• XXIV Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам "Ломоносов-2017" (2017);

• XLVII, XLVIII Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (2018, 2019);

• X Международная конференция «Фундаментальные проблемы оптики» «ФПО - 2018»;

• SPIE Optical systems design - Frankfurt, Germany (2018)

• 6-й Российский симпозиум с международным участием: Полупроводниковые лазеры: физика и технология (2018);

• Научно-практическая конференция с международным участием XLII «Неделя науки СПбПУ» (2018);

• International Conference "Emerging Trends in Applied and Computational Physics 2019" (ETACP-2019)

• International symposium "Fundamentals Of Laser Assisted Micro- And Nanotechnologies" FLAMN-19

Личный вклад автора

Все приведенные в работе расчёты оптических систем ЛДМ, а также разработка, сборка опытного образца и экспериментальные исследования выполнены лично соискателем либо при определяющем участии. Автор выражает благодарность соавторам, в особенности сотрудникам лаборатории световодной фотоники Университета ИТМО кандидату физико-математических наук Аксарину С.М. и Шулепову В.А., за помощь в проведении сборки опытного образца и обсуждении полученных результатов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Материал диссертации изложен на 204 страницах содержит 65 рисунков, 17 таблиц и список цитируемой литературы из 121 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи работы. Представлены научная новизна и приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава состоит из двух обзорных разделов. В первом разделе на основе анализа литературных источников приводятся характеристики ЛД различных спектральных диапазонов генерации излучения, типов конфигураций оснований и корпусов, включающие объединение кристаллов ЛД на единой подложке в линейки и стеки (двумерные массивы). Рассмотрены особенности излучения ЛД в двух взаимно перпендикулярных сечениях, возникающие из-за дифракционных эффектов: расходимость лазерного пучка в плоскости параллельной p-n переходу составляет 8о-10о (по уровню ширины от половины максимума излучения - FWЯM), в то время как в плоскости перпендикулярной p-n переходу эта величина может достигать 40о (ЕЖИМ). Для использования в составе оборудования для аддитивного производства необходимо увеличивать

выходную мощность устройств, выравнивать расходимости и создавать как можно более симметричные пучки (так называемые стигматические). Приведено сравнение преимуществ и недостатков объединения кристаллов ЛД на едином основании и формировании линеек ЛД. Обоснован выбор одиночных ЛД для построения масштабируемой по выходной мощности оптической системы ЛДМ.

Во втором разделе приведен обзор современных схем построения оптических систем ЛДМ на основе отдельных излучателей ЛД и массивов на их основе, чаще всего включающие в себя три этапа: коллимирование излучения, пространственное объединение лазерных пучков и фокусировка суммарного лазерного пучка в ОВ. Также рассмотрен вариант поляризационного объединения двух линейно поляризованных лазерных пучков с ортогональными плоскостями поляризации, позволяющий увеличить суммарную мощность практически в два раза. Приведен теоретический анализ эффективности оптических систем ЛДМ и основных источников потерь.

Во второй главе рассмотрены особенности численного моделирования оптических систем в непоследовательном режиме трассировки лучей методом Монте-Карло в программе Zemax. В первом разделе приведены основные характеристики источника излучения типа «Диод» для задания линейных параметров и пространственного распределения интенсивности излучения источника в соответствии со спецификацией производителей.

Во втором разделе приводится подробное описание задания модели оптических компонент (цилиндрических линз, плоских зеркал, асферических линз и ОВ) с учетом геометрических параметров, материалов.

В третьем разделе рассмотрены вопросы задания различных типов покрытий (просветляющих, отражающих, поляризационных). Рассмотрена возможность использования идеальных покрытий, которые определяются через указание доли проходящего излучения, покрытий из каталога производителей (например, Thorlabs), включая поляризационные покрытия, или задание собственных покрытий.

В четвертом разделе приводится описание моделирования приемников излучения в программе Zemax через задание геометрических размеров матрицы, количества пикселей и значений предельных углов регистрации излучения по двум координатам. Также рассмотрены форматы отображения результатов распределения углового распределения силы света и энергетической освещенности на приемниках после трассировки лучей.

В пятом разделе приведено краткое описание стандартного модуля Zemax по автоматизированной оптимизации параметров оптических компонент через описание целевой функции «Merit Function Editor». При расчёте оптической системы ЛДМ данный модуль программы использовался для оптимизации геометрических параметров второй цилиндрической линзы для достижения минимальной расходимости и геометрических размеров профиля пучка ЛД.

В третьей главе приведены результаты компьютерного моделирования оптической системы ЛДМ спектрального диапазона 976 нм на основе ЛД с резонатором Фабри-Перо торцевого излучения (конфигурации C-mount - чип на основании). Глава состоит из тех разделов. В первом разделе приводится подробное описание характеристик используемого в качестве прототипа ЛД SES11-975-02 (производитель II-VI Laser Enterprise) с пиковой длиной волны 975 нм, а также параметры, использованные при задании источника излучения. Были взяты характерные размеры излучающей области ЛД: 1 мкм х 90 мкм, а также расходимость лазерного луча составила 8о (по уровню FWHM) по оси параллельной области p-n перехода и 36o по оси перпендикулярной области p-n перехода.

Во втором разделе рассмотрены вопросы моделирования оптической системы ЛДМ, включающие в себя анаморфотные оптические элементы, систему пространственного и поляризационного объединения лазерных пучков, а также асферическую линзу для ввода излучения в ОВ.

Оптическая система одного канала модуля включает две линзы, коллимирующие лазерный пучок в двух взаимно перпендикулярных сечениях лазерного пучка. В качестве первой коллимирующей линзы использовалась ацилиндрическая линза FAC-160 (производитель LIMO, Германия), которая имеет чрезвычайно малое значение заднего фокального отрезка (SF-34 мкм), таким образом ее монтаж предусмотрен на основание ЛД. Для второй цилиндрической линзы (SAC) были оптимизированы геометрические параметры (радиус кривизны, толщина) и расположение (расстояние от источника), таким образом, чтобы значение угловой расходимости лазерного излучения после прохождения линзы было минимально. В качестве материала была выбрана доступная на производстве марка стекла D-ZK3 (n = 1.575 для Л = 1014 нм).

На рисунке 1а приведена 3D модель одного структурного элемента для коллимации излучения канала ЛД. Выходная оптическая мощность одного ЛД составляет 11 Вт. После прохождения коллимационной системы линейные размеры пучка составили 120 мкм х 820 мкм, а угловые 0,1о х 0,2о по уровню FWHM (рисунок 1б). После коллимации лазерные пучки попадают на плоское зеркало для сведения нескольких лазерных пучков в единый.

На рисунке 2 приведена оптическая система ЛДМ на основе единичных ЛД, включающая четыре массива ступенчато расположенных ЛД со сдвигом по высоте (высота ступеньки) 400 мкм. Для упрощения восприятия сами полоски ЛД на рисунке не представлены.

Каждые два массива излучателей направлены друг навстречу другу, таким образом, что после отражения от плоских зеркал расстояния между лазерными пучками встречных каналов составляет 3 мм. Плоские зеркала могут быть выполнены в виде прямоугольной призмы, что позволяет максимально близко сводить друг относительно друга встречные лазерные пучки, попадая на вершину призмы с углом основания 90о.

Рисунок 1 - а) Структурный элемент ЛДМ на единичных ЛД - 3D-визуализация модели: 1 - пластина-основание, 2 - ЛД, 3 - линза FAC-160 LIMO, 4 - SAC линза, 5 - зеркало, б) Остаточная расходимости лазерного пучка после коллимации: красная линия - по оси перпендикулярной области p-n перехода, синяя линия - по оси параллельной области p-n перехода

Рисунок 2 - оптическая система ЛДМ на основе единичных ЛД: а -энергетическая освещенность на торце ОВ диаметром сердцевины 200 мкм, б -угловое распределение интенсивности на торце ОВ, в - энергетическая освещенность суммарного лазерного пучка на приемнике после

поляризационного куба

Выходная оптическая мощность может быть практически удвоена при использовании поляризационного куба: ЛД имеют линейную ТЕ поляризацию, добавив в один из каналов полуволновую пластинку, тем самым изменив поляризацию в одном из каналов на противоположную (ТМ), можно добиться

пропускания одного типа поляризации и преломление (отражение от диагонали куба) другого типа поляризации. Однако пропускание p-типа поляризации составляет только 90% от падающей мощности, а отражение s-типа поляризации - 99,5%. Таким образом, появятся дополнительные оптические потери в системе.

На рисунке 2(в) приведено распределение энергетической освещенности на приёмнике после поляризационного объединения каналов, которое реализовано таким образом, что излучение от каждого массива чередуется, что позволяет сформировать равномерное распределение интенсивности излучения в проистрастве. Данный аспект влияет на стойкость просветляющих и отражающих покрытий - при падении на поверхность излучения с высокой плотностью мощности возможны оптические пробои и разрушения. Разные значения максимальной интенсивности от разных ЛД на приемнике связаны с разницей длин оптического пути от разных ЛД до приемника и влиянием остаточной расходимости каждого ЛД.

Суммарный линейный размер пучка составил 5,5 мм х 9,2 мм. Для фокусировки суммарного лазерного пучка на торец волокна используется асферическая линза AL1225-B с фокусным расстоянием /'=25 мм и световым диаметром В = 12,5 мм.

В третьем разделе приведен анализ эффективности ввода излучения в ОВ. Разработанная конфигурация оптической системы обеспечивает эффективность оптической системы более 92%. Линейные размеры полученной оптической системы составили 200 мм х 150 мм х 15 мм.

В четвертой главе приведены результаты компьютерного моделирования оптической системы ЛДМ спектрального диапазона 445-450 нм, конструктивной особенностью которых является использование ЛД в корпусе типа ТО-Сап. В первом разделе приведено описание моделирования источников излучения. В качестве источников выбраны синие ЛД PL TB450B фирмы OSRAM в корпусе ТО56, выходная мощность которых составляет 1,6 Вт.

Во втором разделе приводится параметрический расчёт коллимационной оптической системы, предназначенной для минимизации остаточной расходимости излучения ЛД по обеим взаимно-перпендикулярным осям. Данная система состоит из двух цилиндрических линз (Рисунок 3а), повернутых друг относительно друга на 90о. Первая линза является асферической и имеет задний фокальный отрезок $>¥ '=0,82 мм, что позволяет устанавливать ее непосредственно на корпус ЛД. Вторая коллимирующая выпукло-плоская линза имеет лишь одну сферическую поверхность с радиусом Я = 3,44 мм. Для уменьшения потерь на границе раздела двух сред (воздух-стекло) требуется применять просветляющие покрытия. Остаточная расходимость лазерного пучка по обеим осям не превышает 0,1о (Рисунок 3б), а его линейные размеры составляют 1,2 мм х 1,2 мм.

Рисунок 3 - а) Коллимационная система для одного ЛД в двух

проекциях: 1 - ЛД, 2,3 - цилиндрические линзы, 4 - плоскость установки приёмника для регистрации расходимости излучения, б) График распределения остаточной расходимости лазерного пучка (программа Zemax)

Разработанная конструкция ЛДМ обеспечивает ввод излучения от 100 ЛД, формирующих единый массив 10 на 10 (рисунок 4-а, б). Коллимация пучков в плоскости, перпендикулярной р-п переходам полупроводниковых ЛД, обеспечивается единой линзой для каждого ряда излучателей в двумерном массиве цилиндрических линз. Коллимация пучков в плоскости, параллельной р-п переходам полупроводниковых ЛД, осуществляется цилиндрическими линзами, конструктивно объединенными в монолитную линзу с периодом, равным расстоянию между соседними излучателями.

В третьем разделе описано применение монолитных массивов плоских зеркал для пространственного объединения лазерных пучков и формирования более равномерного распределения энергетической освещенности в суммарном пучке. После прохождения первого массива зеркал линейный размер пучка уменьшается с 58 мм до 17,5 мм в одном из сечений. После прохождения через второй массив зеркал линейные размеры во втором сечении также уменьшаются до 16,6 мм. Таким образом, формируется симметричный лазерный пучок суммарной мощностью излучения 151 Вт. Следует отметить, что в качестве покрытий зеркал при моделировании используются высокоотражающие покрытия и потери на отражении не превышают 1%.

На рисунке 4: 1 - единое основание для монтажа ЛД, 2 - ЛД в корпусе Т056, 3 - цилиндрические линзы для коллимации лазерных пучков в плоскости перпендикулярной плоскости излучения эмиттера, 4 - массив цилиндрических линз коллимации лазерных пучков в плоскости параллельной плоскости излучения эмиттера, объединенные в монолитную линзу с периодом, равным расстоянию между соседними излучателями, 5,6 - монолитные ступенчатые массивы зеркал для уплотнения единого лазерного пучка в двух взаимно ортогональных сечениях, 7 - фокусирующая линза, 8 - ОВ.

б

Рисунок 4 - Оптическая схема предложенной модели в двух сечениях: а - в плоскости, параллельной р-п переходу полупроводниковых лазерных диодов, б - плоскость, перпендикулярная излучению лазерных диодов для демонстрации хода лазерных пучков после массивов ступенчатых зеркал.

В четвертом разделе приведен анализ эффективности ввода излучения в ОВ. Для этого используется плоско-выпуклая линза LA0270-E (производитель Thorlabs) со световым диаметром 22,86 мм и фокусным расстоянием /'=75 мм. Эффективность оптической системы в случае использования ОВ с диаметром сердцевины 200 мкм и числовой апертурой (NA) 0,22 составила 89,8%, в случае использования ОВ с диаметром сердцевины 400 мкм и NA 0,22 эффективность системы достигает 92,75% (Рисунок 5а, б). Из рисунка 5в видно, что суммарный лазерный пучок строго согласуется с числовой апертурой оптического волокна и не превышает максимально допустимый угол 12,7о.

Габариты всей системы составили (Д х Ш х В): 134 мм х 80 мм х 60 мм без учета длины оптического волокна.

а)

б)

в)

I, т»1» мни я, юи1 ни» - «мам

Рисунок 5 - Распределение энергетической освещенности излучения на торце волокна ЛДМ: а) диаметр сердцевины 200 мкм, NA 0,22, б) диаметр сердцевины 400 мкм, NA 0,22; в) угловое распределение силы излучения для

ОВ с диаметром сердцевины 400 мкм

Таким образом, разработанная оптическая схема позволяет объединять ЛД в корпусе ТО56 в виде двумерной матрицы, а массивы монолитных ступенчатых зеркал осуществляют пространственное уплотнение лазерных пучков, формируя суммарный лазерный пучок с равномерно распределенной плотностью мощности в его сечении, что позволяет с высокой эффективностью (более 90%) фокусировать лазерный пучок на торец оптического волокна. Согласование вводимого излучения с апертурой ОВ совместно с полировкой торца и нанесением на него просветляющего покрытия позволит минимизировать потери при вводе.

Пятая глава состоит из пяти разделов. В первом разделе приведены результаты компьютерного моделирования оптической системы разрабатываемого опытного образца ЛДМ на основе ступенчатой конфигурации расположения трех излучателей со смещением по высоте друг относительно друга на величину 1,6 мм (Рисунок 6). Количество источников определяется минимальным количеством ЛД для отработки операций по юстировке оптических компонент в соседних каналах друг относительно друга.

В качестве источника был выбран ЛД фирмы 1пдо1иш, габаритные размеры которого составляют 5,7 мм х 4,5 мм х 0,85 мм (Д х Ш х В). Основные характеристики ЛД приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Характеристики излучателя LD-1020-CoC-6W (Innolume)

Параметры Обозначение Ед. измерения Значение

Выходная мощность Pout Вт 7

Пиковая длина волны X нм 1020

Пороговый ток Ith А 0,45

Рабочий ток при Pout lop А 8,2

Расходимость пучка по 1 оси 0« о 8

Расходимость пучка по ± оси о 33

Размер излучающей области мкм х мкм 90 х 1

В работе приведены все параметры используемых оптических компонент - цилиндрических линз для коллимации лазерных пучков, зеркал и фокусирующей асферической линзы. Первая цилиндрическая линза и асферическая линза для ввода излучения в волокно были выбраны из каталогов линз программы Zemax и куплены у производителей LIMO и Thorlabs.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Котова Екатерина Ильинична, 2019 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Diehl R. High-power diode lasers: fundamentals, technology, applications // Topics in applied physics / Springer. Ed. by Diehl R. 2000. V. 78. 420 p.

2. Balck A., Baumann M., Malchus J. et al. 700 W blue fiber-coupled diode-laser emitting at 450 nm // Proc. SPIE. V. 10514. High-Power Diode Laser Technology XVI. SPIE LASE. 2018. San Francisco. California. US (19 February 2018). P. 051403-1-051403-11.

3. Unger A., Köhler B, Biesenbach J. High-power visible spectrum diode lasers for display and medical applications - beam sources with tailored beam quality and spectral characteristics // High-Power Diode Laser Technology and Applications XII / Ed. by Zediker M.S. Proc. of SPIE. 2014. V. 8965. P. 896513-1-896513-8.

4. From SPIE Photonics West: Nuburu shows 150 W blue direct-diode laser for materials processing — especially copper [Электронный ресурс]: https://www.laserfocusworld.com/articles/2018/02/from-spie-photonics-west-nuburu-shows-150-w-blue-direct-diode-laser-for-materials-processing-especially-copper.html

5. Caprara A., Jerman J.H. Beam-stacking element for diode-laser bar stack // Patent US 2015/0085370 A1. 2015.

6. Imai H., Hamada N, Kido M, Sakai T, Suginashi A., Hamamura H, Yamaguchi S. Semiconductor laser device and solid-state laser device using same // Patent US 2005/0063435 A1. 2005.

7. Zediker M.S., Sa M.S., Pelaprat J.M., Hill D, Finus M. Applications, methods and systems for a laser deliver addressable array // Patent US 2016/0322777 A1. 03.11.2016.

8. Zediker M.S. Devices, systems, and methods for three-dimensional printing // Patent US WO 2014/179345. 2014.

1Р©€ШШ(0Ж АШ ФВДИРАЩШШ

НА ПОЛЕЗНУЮ МОДЕЛЬ

шшшш ШШШШ

№ 188813

ЛАЗЕРНЫЙ диодныи модуль

Патентообладатель: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологии, механики и оптики " (Университет ИТМО) (Я и)

Авторы: Копгова Екатерина Ильинична (ЯП), Романова Галина Эдуардовна (Я11), Одноблюдов Максим Анатольевич (ЯП), Бугров Владислав Евгеньевич (Я11)

Заявка № 2018146800

Приоритет полезной модели 27 декаоря 2018 г.

П

% Дата государственной регистрации в

Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 24 апреля 2019 Г. Срок действия исключительного права на полезную модель истекает 27 декабря 2028 г.

пбКТУАль^а

Руководитель Федеральной службы по интеллектуальной собственности

Г.П. Ивлиев

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

(19)

СО

00 00 00

RU

(11)

188 813(3) U1

(51) МПК G02B 27/09 (2006.01) HO 1S 5/40 (2006.01)

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(12) ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ

(52) СПК

G02B 27/0905 (2019.02); G02B 27/0966 (2019.02); H01S5/4025 (2019.02)

(21) (22) Заявка: 2018146800, 27.12.2018

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

27.12.2018

Дата регистрации:

24.04.2019

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 27.12.2018

(45) Опубликовано: 24.04.2019 Бюл. № 12

Адрес для переписки:

197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49, Университет ИТМО, ОИС и НТИ

(72) Автор(ы):

Котова Екатерина Ильинична (ЯИ), Романова Галина Эдуардовна (ЯИ), Одноблюдов Максим Анатольевич (ЯИ), Бугров Владислав Евгеньевич (ЯИ)

(73) Патентообладатель(и):

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО)

(ЯЦ)

(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: WO 2014179345 А1, 06.11.2014. ЯИ 2182346 С2, 12.05.2002. WO 2007149189 А2, 27.12.2007. Ш 20180011270 А1, 11.01.2018.

(54) ЛАЗЕРНЫЙ ДИОДНЫЙ МОДУЛЬ

(57) Реферат:

Полезная модель относится к оптике, а точнее к лазерным оптическим системам, предназначенным для применения в качестве источника излучения для обработки материалов, включая аддитивные технологии.

Полезная модель представляет собой лазерный диодный модуль, содержащий массив лазерных диодов в корпусе для полупроводниковых приборов с тремя выводами, смонтированных на едином основании с обеспечением сонаправленного излучения, коллимирующую систему из цилиндрических линз в двух взаимно перпендикулярных направлениях, систему для уплотнения пучка излучения от

массива лазерных диодов, фокусирующую линзу, предназначенную для ввода излучения в оптическое волокно. Массив лазерных диодов выполнен в виде двумерной матрицы, система из цилиндрических линз выполнена по числу взаимно ортогональных рядов в матрице, а система уплотнения пучка излучения от массива лазерных диодов выполнена из двух взаимно ортогональных ступенчатых зеркал.

Технический результат заключается в упрощении юстировки и сборки системы, и повышении коэффициента полезного действия устройства. 2 ил.

7J

00 8 8

3

со

00 00 00

00 M M

3

Полезная модель относится к оптике, а точнее к лазерным оптическим системам, предназначенным для применения в качестве источника излучения для обработки материалов, включая аддитивные технологии.

Известны патенты, описывающие конструкции лазерных диодных модулей с 5 волоконным выходом, которые содержат оптическую систему согласования массивов лазерных диодов с оптическим волокном, включающие коллимирующую систему из цилиндрических линз в двух взаимно перпендикулярных направлениях, систему пространственного перераспределения пучка и фокусировки лазерного пучка на торец оптического волокна. В том числе в качестве такого массива применяют двумерные о стеки лазерных диодов [US 2015/0085370 А1 - дата опубликования 26.03.2015, US 2005/ 0063435 А1 - дата опубликования 24.03.2015], а также объединяют несколько массивов лазерных диодов в корпусе для полупроводниковых приборов с тремя выводами типа ТО (от англ. «Transistor Outline» Package) с помощью поляризационного соединения [US 2016/0322777 А1 - дата опубликования 03.11.2016]. 15 Прототипом предлагаемой полезной модели является конструкция лазерного диодного модуля [WO 2014/179345, B23K 26/342 - дата опубликования 29.04.2013], содержащая одномерный массив лазерных диодов в корпусе TO56, смонтированных на едином основании с обеспечением сонаправленного излучения, цилиндрические асферические линзы для коллимации излучения в плоскости перпендикулярной p-n 20 переходу полупроводникового лазерного диода, телескопическую систему из двух цилиндрических линз в плоскости параллельном p-n переходу полупроводниковых лазерных диодов составного лазерного пучка, систему уплотнения лазерного пучка из микрозеркал или призм, каждая из которых работает с отдельным излучателем в массиве, также единое зеркало, расположенное под углом 45 градусов, отклоняющее 25 оптическую ось в том же сечении, что и массив микрозеркал или призм, а также линзу для фокусировки составного лазерного пучка на торец оптического волокна. Для увеличения выходной оптической мощности авторы прототипа предлагают объединять одномерные массивы парами со смещением одного массива относительно другого на половину корпуса элемента, для заполнения промежутков между соседними лазерными зо пучками в массиве. Объединение излучения от нескольких массивов осуществляется с помощью призм. Недостатком предлагаемого решения является большое количество оптических элементов, усложняющую юстировку оптической системы. Кроме того, предложенный метод объединения попарно одномерных массивов излучателей ограничивает выходную оптическую мощность устройства. 35 Задачей полезной модели является уменьшение количества оптических элементов, а, следовательно, упрощение юстировки и сборки системы. Данная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в повышении коэффициента полезного действия устройства. Технический результат достигается благодаря использованию двумерной матрицы лазерных диодов в корпусе типа ТО в качестве 40 источников излучения, единой для каждого ряда излучателей в двумерном массиве асферических цилиндрических линз, обеспечивающие коллимацию пучков в плоскости перпендикулярной p-n переходам полупроводниковых лазерных диодов, цилиндрических линз для коллимации в плоскости параллельной p-n переходам полупроводниковых лазерных диодов, конструктивно объединенных в монолитную линзу с периодом равным 45 расстоянию между соседними излучателями, двух монолитных ступенчатых массивов зеркал для уплотнения единого лазерного пучка во взаимно перпендикулярных сечениях, а также линзу для фокусировки лазерного пучка на торец оптического волокна в область диаметром не более сердцевины оптического волокна и углом падения менее числовой

апертуры.

Оптическая схема предложенной полезной модели приведена на фигурах в двух сечениях: фигура 1 - в плоскости параллельной р-п переходу полупроводниковых лазерных диодов, фигура 2 - плоскость перпендикулярная излучению лазерных диодов 5 для демонстрации хода лазерных пучков после массивов ступенчатых зеркал. Здесь 1

- единое основание для монтажа лазерных диодов, 2 - лазерные диоды в корпусе ТО, 3 - цилиндрические линзы для коллимации лазерных пучков в плоскости перпендикулярной плоскости излучения эмиттера, 4 - массив цилиндрических линз коллимации лазерных пучков в плоскости параллельной плоскости излучения эмиттера,

10 объединенные в монолитную линзу с периодом, равным расстоянию между соседними излучателями, 5,6- монолитные ступенчатые массивы зеркал для уплотнения единого лазерного пучка в двух взаимно ортогональных сечениях, 7 - фокусирующая линза, 8

- оптическое волокно.

Устройство работает следующим образом: пучки лазерных диодов, обладающие 15 несимметричными характеристиками в двух взаимно ортогональных направлениях, коллимируются двумя цилиндрическими линзами для каждого отдельного излучателя: первая асферическая линза коллимирует лазерные пучки в плоскости перпендикулярном р-п переходу и имеет фокусное расстояние не менее величины расстояния, на которое заглублен торец излучающего лазерного диода относительно верхнего края корпуса, 20 при этом конструктивно данные линзы объединены в единую для каждого ряда

источников в массиве лазерных диодов, вторая коллимирущая цилиндрическая линза в плоскости параллельном плоскости р-п перехода расположенная ортогонально первым цилиндрическим линзам, при этом конструктивно эти цилиндрические линзы объединены в монолитный массив с периодической структурой. После коллимации 25 лазерные пучки падают на первое ступенчатое зеркало, каждая ступень которого соответствует отдельному ряду источников в массиве и преломляют оптические оси лазерных пучков на 90 градусов в плоскости перпендикулярном р-п переходу, при этом за счет расположения отражающих поверхностей зеркала, единый лазерный пучок в данном направлении становится уже, а распределение мощности в пучке более зо равномерным в данном сечении. Далее лазерный пучок попадает на второе ступенчатое зеркало, расположенное ортогонально первому и уплотняющий пучок в плоскости параллельном р-п переходу. После уплотнения лазерного пучка, производится ввод излучения от лазерных диодов в оптическое волокно с высокой эффективностью с помощью сферической линзы. Масштабирование выходной оптической мощности 35 производится за счет увеличения количества отдельных лазерных диодов в массиве и пропорциональна выходной оптической мощности одного излучателя.

Система рассчитана и экспериментально проверена для массива 10x10 лазерных диодов (всего 100 источников) с выходной оптической мощностью каждого 1,6 Вт, суммарная мощность всех лазерных диодов составляет 160 Вт. После прохождения 40 лазерных лучей через коллимирующую систему, отражения от двух массивов зеркал и прохождение через линзу, обеспечивающую ввод лазерного пучка в многомодовое оптическое волокно, на выходе устройства зарегистрирована оптическая мощность 148,5 Вт, что соответствует эффективности оптической системы 92,5%.

45 (57) Формула полезной модели

Лазерный диодный модуль, содержащий массив лазерных диодов в корпусе для полупроводниковых приборов с тремя выводами, смонтированных на едином основании с обеспечением сонаправленного излучения, коллимирующую систему из цилиндрических

линз в двух взаимно перпендикулярных направлениях, систему для уплотнения пучка излучения от массива лазерных диодов, фокусирующую линзу, предназначенную для ввода излучения в оптическое волокно, отличающийся тем, что массив лазерных диодов выполнен в виде двумерной матрицы, система из цилиндрических линз выполнена по 5 числу взаимно ортогональных рядов в матрице, а система уплотнения пучка излучения от массива лазерных диодов выполнена из двух взаимно ортогональных ступенчатых зеркал.

Фиг. 1

Фиг. 2

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИИ ВЕСТНИК ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИИ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ ноябрь-декабрь 2019 Том 19 № 6 ISSN 2226-1494 http://ntv.itmo.ru/

SCIENTIFIC AND TECHNICAL JOURNAL OF INFORMATION TECHNOLOGIES, MECHANICS AND OPTCS November-December 2019 Vol. 19 No 6 ISSN 2226-1494 http://ntv.itmo.ru/en/

ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

УДК 621.373.8 doi: 10.17586/2226-1494-2019-19-6-973-979

ЮСТИРОВКА ЛАЗЕРНОГО ДИОДНОГО МОДУЛЯ С ВОЛОКОННЫМ ВЫХОДОМ Е.И. Котова, В.А. Шулепов, С.М. Аксарин, В.Е. Бугров

Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация Адрес для переписки: [e-mail] Информация о статье

Поступила в редакцию 04.06.19, принята к печати 20.08.19 Язык статьи — русский

Ссылка для цитирования: Котова Е.И., Шулепов В.А., Аксарин С.М., Бугров В.Е. Юстировка лазерного диодного модуля с волоконным выходом // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2019. Т. 19. № 6. С. 973-979. doi: 10.17586/2226-1494-2019-19-6-973-979

Аннотация

Предмет исследования. Представлены результаты юстировки оптической системы лазерного диодного модуля, включающей три этапа: коллимацию, сведение пучков от трех лазерных диодов и ввод излучения в оптическое волокно. Оптическая система лазерного диодного модуля с волоконным выходом представляет собой ступенчатую конфигурацию расположения источников со смещением по высоте друг относительно друга лазерных диодов на величину 1,6 мм. В качестве источников излучения использованы полупроводниковые лазерные диоды с резонатором Фабри-Перо и пиковой длиной волны генерации 1020 нм. Диаметр сердцевины выходного многомодового кварцевого оптического волокна составил 400 мкм, числовая апертура — NA 0,22. Метод. Реализован метод пространственного объединения лазерных пучков от трех лазерных диодов в непрерывном режиме генерации. Контроль остаточной расходимости и отклонений оптических осей в каждом канале проводился измерением профилей лазерных пучков в двух сечениях при смещении измерителя профиля пучка строго вдоль оси распространения на 100 мм. Эффективность ввода излучения в оптическое волокно определялась измерением мощности излучения до ввода лазерного пучка и на выходе из оптического волокна. Основные результаты. Максимальная выходная мощность опытного образца лазерного диодного модуля составила 19,65 Вт. Уменьшение потерь достигается за счет нанесения просветляющих покрытий на линзы и высоко отражающего покрытия на зеркала с учетом спектрального состава излучения и угла падения лазерных пучков. Практическая значимость. Реализованный метод сборки может быть использован для изготовления лазерных диодных модулей большей выходной мощности, включающие большее количество единичных лазерных диодов без снижения эффективности. Разработанный стенд позиционирования микрооптических компонент позволяет производить высокоточную юстировку линз и зеркал, а также производить стыковку с оптическим волокном оптоэлектронных устройств.

Ключевые слова

лазерный диод, коллимация, юстировка, волоконное соединение

doi: 10.17586/2226-1494-2019-19-6-973-979

FIBER COUPLED LASER DIODE MODULE ALIGNMENT E.I. Kotova, V.A. Shulepov, S.M. Aksarin, V.E. Bugrov

ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation Corresponding author: [e-mail] Article info

Received 04.06.19, accepted 20.08.19 Article in Russian

For citation: Kotova E.I., Shulepov V.A., Aksarin S.M., Bugrov V.E. Fiber coupled laser diode module alignment. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2019, vol. 19, no. 6, pp. 973-979 (in Russian). doi: 10.17586/2226-1494-2019-19-6-973-979

Abstract

Subject of Research. The paper presents the results of the laser diode module optical system alignment, which includes three steps: the laser diode radiation collimation, the laser beams multiplexing from three sources and the radiation input into the optical fiber. The laser diode module optical system with a fiber output is realized as a stepped configuration of sources position with a height shift of laser diodes relative to each other by 1.6 mm. Semiconductor laser diodes with Fabry-Perot resonator and peak generation wavelength of 1020 nm are used as radiation sources. The core diameter of the output multimode quartz optical fiber is equal to 400 ^m and the numerical aperture is NA 0.22. Method. The method of spatial multiplexing for laser

beams from three laser diodes in a continuous-wave mode was implemented. The residual divergence and deviations control of the optical axes in each channel were carried out by measuring the laser beam profiles in two sections with the beam profile meter displaced strictly along the laser beams propagation axis by 100 mm. The radiation input efficiency into the optical fiber was determined by measuring the radiation power before entering the laser beam and at the output from the optical fiber. Main Results. The maximum output power of the laser diode module prototype is 19.65 W. The loss reduction is achieved owing to the application of anti-reflective coatings on the lenses and a highly reflective coating on the mirrors, taking into account the spectral composition of the radiation and the angle of incidence of the laser beams. Practical Relevance. The implemented assembly method can be used to manufacture higher output power laser diode modules, including more than three laser diodes without reduction in effectiveness. The developed micro-optical component positioning test bench allows for high-precision alignment of lenses and mirrors and optical fiber coupling of optoelectronic devices.

Keywords

laser diode, collimation, adjustment, fiber coupling

Введение

Стремительное развитие полупроводниковых лазерных технологий и снижение их стоимости в последнее десятилетие сделали внедрение мощных лазерных диодов (ЛД) и устройств на их основе более доступными. Длины волн около 1 мкм эффективно поглощаются металлами, что в совокупности с компактностью таких устройств и гибкостью подводимого световода, делает лазерные диодные модули (ЛДМ) востребованными источниками излучения для применений в аддитивном производстве. Главной тенденцией, по-прежнему, остается увеличение выходной оптической мощности и эффективности устройств за счет лучшей температурной и спектральной стабилизации, улучшению качества лазерного излучения [1-6].

Несмотря на высокую электрооптическую эффективность полупроводниковых лазерных диодов с внешним резонатором (более 50 %), увеличение выходной мощности устройства приводит и к увеличению количество тепла, которое необходимое равномерно отводить от источников. Именно поэтому для создания лазерных диодных модулей выходной мощностью несколько десятков ватт использование отдельных лазерных диодов имеют ряд преимуществ перед использованием лазерных линеек: во-первых, большее расстояние между излучателям (5 мм против 500 мкм у линеек) определяет меньшее взаимное температурное влияние, и отвод тепла производится эффективнее, во-вторых, при использовании линеек лазерных диодов возникает так называемый «smile», возникающий при посадке лазерных чипов на единое основание, который сложно компенсировать вторичной оптикой, из-за чего эффективность коллимации и ввода излучения в оптическое волокно может быть существенно ниже. Представленные факторы влияют на надежность и стабильность работы устройств [7-9].

К существенным недостаткам ЛД можно отнести высокую чувствительность к температурному режиму работы и изменению электрических параметров питания ЛД, которые приводят к смещению пиковой длины волны (на величину до 10 нм) [10]. Также характерной особенностью ЛД является эллиптичный профиль пучка, связанный с разными значениями линейных размеров излучающей области (1*100 мкм) и угловой расходимости излучения (9) в двух взаимно перпендикулярных сечениях (9 I = 8°, 9 1 = 35° по уровню FWHM) [11-13].

Оптическая система ЛДМ

Для практической реализации и экспериментальных исследований была выбрана конфигурация ЛДМ модуля, включающая три лазерных диода. Выбор количества источников определялся необходимостью отработки отдельных операций, при которых юстировка производится относительно соседнего лазерного пучка или центрального канала. Ранее была предложена компьютерная модель ступенчатой конфигурация оптической системы ЛДМ, включающая до 23 лазерных диода расположенных в единый массив [14].

Оптическая схема была разработана, проанализирована и оптимизирована в программе ZEMAX, с помощью которой были определены допуски на линейные и угловые отклонения оптических элементов от оптимального положения при юстировке. Основание и корпус лазерного диодного модуля изготовлены из меди для обеспечения эффективного теплоотвода от источников излучения, влияющие на спектральные и выходные характеристики модуля.

Для уменьшения френелевских потерь на границе разделов сред воздух-стекло на оптических элементах предусмотрено просветляющее покрытие, а в случае зеркал - высоко отражающее покрытие (отражение более 99 %). При этом следует также учитывать угол падения лазерного луча и спектральный состав излучения [15, 16].

Разработанная оптическая система ЛДМ с волоконным выходом представляет собой ступенчатую конфигурацию расположения источников (рис. 1), со смещением по высоте друг относительно друга лазерных диодов на величину 1,6 мм, и включает в себя три этапа преобразования лазерного излучения: коллимация отдельных лазерных пучков в каждом канале, пространственное объединение (сведение) лазерных пучков плоскими зеркалами за счет излома оптических осей на 90° и ввод суммарного лазерного излучения в оптическое волокно (ОВ) при его фокусировке на торец волокна. Пиковая длина волны излучения используемых лазерных диодов составила 1020 нм согласно спецификации производителя.

Рис. 1. Схема оптической системы лазерного диодного модуля: 1 — лазерные диоды; 2, 3 — цилиндрические линзы для коллимации лазерных пучков; 4 — наклонные зеркала; 5 — фокусирующая линза; 6 — оптическое волокно

Рис. 2. Трехмерная модель (а) и опытный образец (б) разрабатываемого лазерного диодного модуля

Задание источников при моделировании учитывало линейные и угловые характеристики излучателей в двух взаимно перпендикулярных сечениях, но задавалось распределением Гаусса в обоих сечениях. Излучение реального лазерного диода по оси параллельной p-n переходу имеет ярко выраженный многомодовый состав излучения. Эффективность ввода лазерного излучения от трех лазерных диодов в оптическое волокно при моделировании составила 94,8 % и 22,75 Вт при выходной мощности одного ЛД 8 Вт, что соответствует параметрам питания для одного излучателя 10 А и 1,55 В согласно спецификации производителя ЛД.

Сборка ЛДМ и факторы, влияющие на эффективность

Выходная мощность ЛДМ сильно зависит от эффективности оптической системы и минимизации потерь при установке, юстировке и фиксации оптических элементов с помощью клея, отверждаемого под действием ультрафиолетового излучения. При сборке модуля использовался клей фирмы Dymax с высоким коэффициентом вязкости (более 135 Па-с), что минимизирует нежелательное растекание клея, и минимальной величине линейной усадки клеевого слоя при облучении ультрафиолетовой лампой и полимеризации (менее 0,1 %), влияющей на смещение линз и зеркал от оптимального съюстированного положения.

При сборке модуля отклонение оптических осей лазерных пучков от параллельности основанию модуля и соосность соседних каналов оказывает наибольшее влияние на эффективность ввода излучения в волокно, так как обеспечение максимальной эффективности возможно только при нормальном (перпендикулярном) падении лазерных пучков на фокусирующую линзу.

Из-за особенностей конструкции стенда для сборки модуля, остаточная расходимость оценивалась при позиционировании первых двух линз каждого канала на расстоянии L1 = 87 мм от источников до измерителя профиля пучка и при его перемещении на расстояние L2 = 100 мм (рис. 3). При этом оптимальным положением линз считалось то, при котором не происходит линейного смещения центра профиля лазерного пучка на измерителе. Расположение лазерных пучков крайних каналов юстировалось относительно центрального, а расстояние между соседними пучками по вертикали совпадало с высотой ступеней модуля и составляло 1,6 мм.

Наибольшей чувствительностью к разъюстировке в оптической системе лазерных диодных модулей обладают первые ацилиндрические линзы с задним фокальным отрезком порядка 135 мкм и строгим

допуском по согласованию оптических осей источника и коллимирующей линзы (не более 2,5 мкм). При полимеризации УФ-отверждаемого клея на ацилиндрических линзах в каждом из трех каналов наблюдалось смещение оптического компонента от заданного положения и как следствие отклонение оптических осей («свечение вниз» — к основанию) из-за усадки УФ-отверждаемого клея. В результате разъюстировки оптическая ось наклоняется на величину до 0,5°, а максимальная остаточная расходимость лазерного пучка составила 1,5° в центральном канале (рис. 4). Измерение остаточной расходимости и контроль смещения оптических осей производились с помощью измерителя профиля пучка BC106N-VIS/M (Thorlabs) методом измерения двух сечений при продольном смещении на расстояние 100 мм друг от друга. Размер матрицы измерителя профиля пучка составляет 6,6 х 8,8 мм (1024 х 1360 пикселей), размер пикселя 6,45 х 6,45 мкм.

Рис. 3. Схема стенда для установки коллимационных линз лазерного диодного модуля: 1 — автоматическая 6-ти координатная подвижка; 2 — линейные трансляторы для позиционирования гриппера; 3 — пластина для крепления гриппера с возможностью его поворота на 45°; 4 — ступенчатое основание опытного образца; 5 — автоматизированный линейный транслятор; 6 — измеритель профиля пучка; 7 — оптический рельс

На рис. 4 приведены распределения интенсивности профиля лазерного пучка после первой (рис. 4, а) и второй (рис. 4, б) цилиндрических коллимирующих линз. Линейные размеры лазерных пучков в двух сечениях хорошо согласуются с полученными значениями при компьютерном моделировании (1100 х 272 мкм).

а б

Рис. 4. Распределение интенсивности профиля лазерного пучка на фотоприемной матрице (6,6x8,8 мм) на расстоянии 87 мм от источника после: а - первой, б - второй цилиндрических коллимирующих линз

После поворота основания ЛДМ на 90о для установки зеркал, оптический путь в трех каналах в ближнем положении измерителя профиля пучка составил 70 мм, 83 мм и 96 мм (Li) соответственно, в дальнем положении измерения производились при смещении измерителя от первоначального положения также на L2 = 100 мм.

Как показал оптический расчет и подтвердил эксперимент, наклон оптической оси 0,5° может быть компенсирован наклоном плоского зеркала на величину 0,4° по двум координатам, при этом остаточная расходимость не изменится, распространение лазерного пучка выровняется параллельно основанию со смещением по оси Y (перпендикулярный p-n переходу) на величину до 200 мкм. Данное линейное смещение находится в рассчитанном допуске на юстировку, и плоские зеркала следующих каналов оптической системы не перекрывают лазерные пучки с большей длиной оптического пути.

На рис. 5 представлены картины распределения интенсивности лазерных пучков трех каналов после отражения от плоских зеркал на расстоянии 70 мм (рис. 5, а) и 170 мм (рис. 5, б) от ближнего лазерного

диода. Нижний профиль лазерного пучка имеет наименьшую длину оптического пути, поэтому с учетом остаточной расходимости лазерных пучков имеет наименьший размер и наибольшую яркость. Разница оптического пути по сравнению с центральным пучком составляет 13 мм, по сравнению с верхним - 26 мм. Измеритель профиля пучка автоматически подстраивает коэффициент усиления относительно максимума интенсивности, поэтому дальние от приемника лазерные пучки на картине распределения имеют меньшую интенсивность.

Также по картине распределения видно, что при перемещении измерителя профиля пучка вдоль оси распространения лазерного излучения, оптические оси в трех каналах параллельны и условные центры лазерных пучков не меняют своего положения по оси У.

аб

Y, мм Y, мм

2 — Y, 2мм

0 20

-2: Ml -02 *фо» +

-4 -2 0 Х, мм 2 4 -4 -2 0 2 Х, мм 4

Рис. 5. Картины распределения интенсивности лазерных пучков после отражения от плоских зеркал и излома оптических осей на 90°: а — на расстоянии 70 мм от ближайшего излучателя до матрицы измерителя профиля пучка,

б — на расстоянии 170 мм

Ввод излучения в многомодовое кварцевое оптическое волокно с диаметрами сердцевины 400 мкм и оболочки 440 мкм осуществлялся асферической линзой A397-B (производитель Thorlabs) с просветляющим покрытием для спектрального диапазона 650-1050 нм. Предварительно оптическое волокно вклеивается в стальную ферулу, и торец полируется под углом 8° для уменьшения влияния обратных отражений на лазерные диоды. Юстировка оптимального положения оптического волокна и фокусирующей линзы проводилась по максимальному уровню оптической мощности излучения на выходе из световода. В качестве эталона было выбрано значение мощности излучения суммарного пучка после отражения от плоских зеркал: при силе тока I = 0,6 А и напряжении U = 4,0 В, мощность после зеркал составила Pmin-ors = 380 мВт, максимальное значение на выходе оптического волокна составило Pfiber = 330 мВт. Таким образом, потери на волоконном соединении составили порядка 13,1 %, а при значении тока I = 3,0 A потери на вводе возросли до 14,7 %.

Анализ потерь в оптической системе

Перед монтажом лазерных диодов на медное основание, была проведена характеризация их выходных параметров, а именно, пороговый ток (Ith) и мощность излучения при величине силы тока 1 А (Pia) и 3 А (P3A) (табл. 1).

Таблица 1. Исходные параметры лазерных диодов

Номер ЛД Ith, мА Pia, Вт P3A, Вт

1 400 0,52 2,32

2 405 0,49 2,23

3 407 0,51 2,32

Сумма трех ЛД — 1,52 6,87

Следует отметить, что измеренные значения выше (более чем на 10 %), чем заявленные производителем: при токе 3 А заявленная в технической документации выходная мощность ЛД составляет только 2 Вт.

В процессе сборки лазерного диодного модуля выходную мощность отдельных лазерных диодов и суммарного пучка можно было оценить только после установки коллимационных цилиндрических линз, так как без них конструкция модуля не позволяет поднести измерители мощности достаточно близко к излучателям, а из-за расходимости лазерных диодов лазерный пучок не попадает полностью на измерительную площадку. По промежуточным измерениям вольт-амперных и ватт-амперных зависимостей были оценены

суммарные потери на оптической системе и потери на каждом отдельном этапе преобразования лазерного излучения (табл. 2).

Таблица 2. Измерения мощности излучения после каждого этапа юстировки и оценка потерь на оптической системе

опытного образца ЛДМ при I = ЗА

Коллимационная система Зеркала ОВ ИТОГО

Мощность P, Вт 6,70 6,36 5,43 —

Потери, % 2,5 5,0 13,5 21

Измерения выходной мощности ЛДМ проводились при установке опытного образца на медную плиту с водяным охлаждением. Стабилизация температуры нижней грани модуля устанавливалась 18 °С. Максимальное значение выходной мощности составило 19,65 Вт оптической мощности (рис. 6, а), оптико-электрическая эффективность (ОЭЭ - отношение выходной оптической мощности к потребляемой электрической мощности) снижается до 30 % (рис. 6, б), что, вероятно, можно обосновать постепенным перегревом активной области и снижением КПД излучателей.

20 16 12

н

m

сС 8 4

I 1 I 1 Г

24

I, A

4

m

2

т 1 I 1 I 1 г~ 6 8 10

40

30

о4

m m о

20

10

б

г ♦

46 I, A

10

Рис. 6. Выходные характеристики опытного образца лазерного диодного модуля: а — вольт-амперные и ватт-амперные характеристики; б — оптико-электронная эффективность

а

6

0

0

0

0

0

2

8

Уменьшение потерь в оптической системе возможно при увеличении точности позиционирования оптических компонент, зависящее от точности изготовления механических элементов и оснастки для захвата (губки гриппера), а также отработки технологических операций по нанесению, контролю толщины слоя оптического клея для минимизации увода линз и зеркал при полимеризации клея, отверждаемого под действием ультрафиолетового излучения. Уменьшение френелевских отражений от границ разделов сред «воздух-стекло» обеспечивается подбором лучшего просветляющего покрытия под требуемый спектральный диапазон длин волн, а также их строгое соответствие углам падения лазерных лучей на поверхность оптического элемента.

Заключение

Разработан лазерный диодный модуль с волоконным выходом на основе трех лазерных диодов, излучение которых комбинируется при ступенчатом расположении излучателей друг относительно друга, коллимации лазерных пучков, пространственном сведении плоскими зеркалами и вводе в многомодовое волокно (400 мкм, NA 0,22). Максимальная выходная оптическая мощность составила 19,65 Вт. Приведен анализ потерь при юстировке оптической системы лазерного диодного модуля. Полученные результаты позволяют утверждать, что предложенный метод сборки может быть использован для изготовления лазерных диодных модулей большей выходной мощности, включающие большее количество полосков лазерных диодов без снижения эффективности.

Литература

High-Power Diode Lasers Fundamentals, Technology, Applications / Ed. by R. Diehl. Springer-Verlag, 2000. 422 p. Liu X., Zhao W., Xiong L., Liu H. Packaging of high power semiconductor lasers. Springer, 2015. 415 p. Sun H. A practical guide to Handling laser diode beams. Springer, 2015. 147 p.

References

High-Power Diode Lasers Fundamentals, Technology, Applications / Ed. by R. Diehl. Springer-Verlag, 2000, 422 p. Liu X., Zhao W., Xiong L., Liu H. Packaging of high power semiconductor lasers. Springer, 2015, 415 p. Sun H. A practical guide to Handling laser diode beams. Springer, 2015, 147 p.

4. Wolf P., Köhler B., Rotter K., Hertsch S., Kissel H., Biesenbach J. High-power, high-brightness and low-weight fiber coupled diode laser device // Proceedings of SPIE. 2011. V. 7918. P. 791800, doi: 10.1117/12.875147

5. Kasai Y., Yamagata Y., Kaifuchi Y., Sakamoto A., Tanaka D. High-brightness and high-efficiency fiber-coupled module for fiber laser pump with advanced laser diode // Proceedings of SPIE. 2017. V. 10086. P. 1008606. doi: 10.1117/12.2252122

6. Dawson J.W., Messerly M.J., Beach R.J., Shverdin M.Y., Stappaerts E.A., Sridharan A.K., Pax P.H., Heebner J.E., Siders

C.W., Barty C.P.J. Analysis of the scalability of diffraction-limited fiber lasers and amplifiers to high average power // Optics Express. 2008. V 16. N 17. P. 13240-13266. doi: 10.1364/oe.16.013240

7. Pelegrina-Bonilla G., Mitra T., Compensation of the laser diode smile by the use of micro-optics // Applied Optics. 2018. V. 57. N 13. P. 3329-3333. doi: 10.1364/А0.57.003329

8. Wetter N.U. Three-fold effective brightness increase of laser diode bar emission by assessment and correction of diode array curvature // Optics and Laser Technology. 2001. V. 33. N 3. P. 181-187. doi: 10.1016/S0030-3992(01)00015-9

9. Yu J., Guo L., Wu H., Wang Z., Gao S., Wu D. Optimization of beam transformation system for laser-diode bars // Optics Express. 2016. V. 24. N 17. P. 19728-19735. doi: 10.1364/0E.24.019728

10. Köhler B., Brand T., Haag M., Biesenbach J. Wavelength stabilized high-power diode laser modules // Proceedings of SPIE. 2009. V. 7198. P. 719801. doi: 10.1117/12.809541

11. Liu R., Jiang X., Yang T., He X., Gao Y., Zhu J., Zhang T., Guo W., Wang B., Guo Z., Zhang L., Chen L. High Brightness 9xxnm Fiber Coupled Diode Lasers // Proceedings of SPIE. 2015. V. 9348. P. 93480V. doi: 10.1117/12.2080506

12. Hou L., Zhang H., Xu L., Li Y., Zou Y., Zhau X., Ma X. Design of high-brightness 976nm fiber-coupled laser diodes based on ZEMAX // Proceedings of SPIE. 2015. V. 9521. P. 95211F. doi: 10.1117/12.2177786

13. Qi Y., Zhao P., Chen Q., Wu Y., Chen Y., Zou Y., Lin X. Design of 150W, 105-^m, 0.22NA, fiber coupled laser diode module by ZEMAX // Proceedings of SPIE. 2016. V. 10152. P. 101521H. doi: 10.1117/12.2247657

14. Kotova E.I., Romanova G.E., Tsyganok H.A., Odnoblyudov M.A., Bougrov V.E. Efficiency analysis of optical schemes for the development of high power laser diode modules // Proceedings of SPIE. 2018. V. 10695. P. 106950T. doi: 10.1117/12.2313293

15. Андриевский А., Андриевский В.Ф. Лазерные диодные модули: ввод излучения в волокно и фиксация деталей модулей // Фотоника. 2017. № 3(63). С. 74-79. doi: 10.22184/1993-7296.2017.63.3.74.79

16. Werner M., Wessling C., Hengesbach S., Traub M., Hoffmann H.-

D. 100 W / 100 |im passively cooled, fiber coupled diode laser at 976 nm based on multiple 100 ^m single emitters // Proceedings of SPIE. 2009. V. 7198. P. 71980P. doi: 10.1117/12.810487

Авторы

Котова Екатерина Ильинична—ассистент, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, Scopus ID: 56227010800, ORCID ID: 0000-0003-4740-0434, [e-mail] Шулепов Владимир Андреевич — инженер-исследователь, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, Scopus ID: 57191411190, ORCID ID: 0000-0003-2168-8046, [e-mail]

Аксарин Станислав Михайлович — кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, Scopus ID: 57191417852, ORCID ID: 0000-0002-7482-3072, [e-mail]

Бугров Владислав Евгеньевич — доктор физико-математических наук, доцент, профессор, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, Scopus ID: 8321276100, ORCID ID: 0000-0002-1365-9184, [e-mail]

4. Wolf P., Köhler B., Rotter K., Hertsch S., Kissel H., Biesenbach J. High-power, high-brightness and low-weight fiber coupled diode laser device. Proceedings of SPIE, 2011, vol. 7918, pp. 791800. doi: 10.1117/12.875147

5. Kasai Y., Yamagata Y., Kaifuchi Y., Sakamoto A., Tanaka D. High-brightness and high-efficiency fiber-coupled module for fiber laser pump with advanced laser diode. Proceedings of SPIE, 2017, vol. 10086, pp. 1008606. doi: 10.1117/12.2252122

6. Dawson J.W., Messerly M.J., Beach R.J., Shverdin M.Y., Stappaerts E.A., Sridharan A.K., Pax P.H., Heebner J.E., Siders C.W., Barty C.P.J. Analysis of the scalability of diffraction-limited fiber lasers and amplifiers to high average power. Optics Express, 2008, vol. 16, no. 17, pp. 13240-13266. doi: 10.1364/oe.16.013240

7. Pelegrina-Bonilla G., Mitra T., Compensation of the laser diode smile by the use of micro-optics. Applied Optics, 2018, vol. 57, no. 13, pp. 3329-3333. doi: 10.1364/A0.57.003329

8. Wetter N.U. Three-fold effective brightness increase of laser diode bar emission by assessment and correction of diode array curvature. Optics and Laser Technology, 2001, vol. 33, no. 3, pp. 181-187. doi: 10.1016/S0030-3992(01)00015-9

9. Yu J., Guo L., Wu H., Wang Z., Gao S., Wu D. Optimization of beam transformation system for laser-diode bars. Optics Express, 2016, vol. 24, no. 17, pp. 19728-19735. doi: 10.1364/0E.24.019728

10. Köhler B., Brand T., Haag M., Biesenbach J. Wavelength stabilized high-power diode laser modules. Proceedings of SPIE, 2009, vol. 7198, pp. 719801. doi: 10.1117/12.809541

11. Liu R., Jiang X., Yang T., He X., Gao Y., Zhu J., Zhang T., Guo W., Wang B., Guo Z., Zhang L., Chen L. High Brightness 9xxnm Fiber Coupled Diode Lasers. Proceedings of SPIE, 2015, vol. 9348, pp. 93480V. doi: 10.1117/12.2080506

12. Hou L., Zhang H., Xu L., Li Y., Zou Y., Zhau X., Ma X. Design of high-brightness 976nm fiber-coupled laser diodes based on ZEMAX. Proceedings of SPIE, 2015, vol. 9521, pp. 95211F. doi: 10.1117/12.2177786

13. Qi Y., Zhao P., Chen Q., Wu Y., Chen Y., Zou Y., Lin X. Design of 150W, 105-^m, 0.22NA, fiber coupled laser diode module by ZEMAX. Proceedings of SPIE, 2016, vol. 10152, pp. 101521H. doi: 10.1117/12.2247657

14. Kotova E.I., Romanova G.E., Tsyganok H.A., Odnoblyudov M.A., Bougrov V.E. Efficiency analysis of optical schemes for the development of high power laser diode modules. Proceedings of SPIE, 2018, vol. 10695, pp. 106950T. doi: 10.1117/12.2313293

15. Andryieuski A., Andryieuski V.F. Laser Diode Modules: Optical Coupling And Parts Bonding. Photonics, 2017, no. 3(63), pp. 7479. (in Russian). doi: 10.22184/1993-7296.2017.63.3.74.79

16. Werner M., Wessling C., Hengesbach S., Traub M., Hoffmann H.-D. 100 W / 100 |im passively cooled, fiber coupled diode laser at 976 nm based on multiple 100 ^m single emitters. Proceedings of SPIE, 2009, vol. 7198, pp. 71980P. doi: 10.1117/12.810487

Autors

Ekaterina I. Kotova — Assistant, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, Scopus ID: 56227010800, ORCID ID: 0000-0003-4740-0434, [e-mail] Vladimir A. Shulepov — Research Engineer, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, Scopus ID: 57191411190, ORCID ID: 0000-0003-2168-8046, [e-mail]

Stanislav M. Aksarin — PhD, Laboratory Head, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, Scopus ID: 57191417852, ORCID ID: 0000-0002-7482-3072, [e-mail]

Vladislav E. Bugrov — D.Sc., Associate Professor, Professor, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, Scopus ID: 8321276100, ORCID ID: 0000-0002-1365-9184, [e-mail]