凱普林曾提出了密集空間排列理論（DSBC）并通過千瓦級泵浦源的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了DSBC的正確性。目前，單管功率已經(jīng)提升至15W-30W@BPP≈5-12mm*mrad且電光效率>60%的水平，這使得光纖耦合輸出的高功率泵源在維持高亮度輸出的同時，減小體積、降低重量、提升電光轉(zhuǎn)化效率成為可能。

凱普林利用當(dāng)前芯片，分別實(shí)現(xiàn)了芯徑135μm NA0.22光纖耦合輸出420W波長鎖定976nm，質(zhì)量≈500g的泵源；以及芯徑220μm NA0.22光纖耦合輸出1000W單波長976nm（或者915nm），質(zhì)量≈400g的泵源。

未來，隨著半導(dǎo)體芯片亮度和電光效率的提升，輕量化、高功率泵源在小體積高功率光纖激光光源制造中將發(fā)揮不可替代的作用，并積極推動國防和工業(yè)應(yīng)用的發(fā)展。

引言

因其出色的光束質(zhì)量和靈活的功率擴(kuò)展能力（光纖合束器），光纖激光器迅速發(fā)展。近年來，單模單纖光纖激光器受限于TMI（橫向模式不穩(wěn)定性）和SRS效應(yīng)，半導(dǎo)體直接泵浦的光纖激光振蕩器功率止步于5kW[1]，級聯(lián)泵浦（Tandem pumping）光纖激光放大器也停在了10kW[2]，雖然可以通過適當(dāng)增加纖芯直徑的方式提升輸出功率，但輸出光束質(zhì)量也隨之下降[3-4]。盡管如此，半導(dǎo)體泵浦源亮度提升的需求依舊緊迫。

工業(yè)加工應(yīng)用對光束質(zhì)量的要求并非一定是單模，為了提升單纖功率，允許少許低階模式的存在，截至目前，基于976nm泵浦的5kW以上的少模單纖及合束多模激光光源有了批量應(yīng)用（主要是金屬材料的切割和焊接），相應(yīng)高功率泵浦源的生產(chǎn)也實(shí)現(xiàn)了批量化。

半導(dǎo)體芯片BPP和泵浦源亮度的關(guān)系

3年前，9xxnm芯片的亮度大都處于3W/mm*mrad@12W-100μm條寬 & 2W/mm*mrad@18W-200μm條寬的水平�；�于此類芯片，凱普林實(shí)現(xiàn)了600W和1000W200μm NA0.22光纖耦合輸出[5-6]。

目前，9xxnm芯片亮度已經(jīng)實(shí)現(xiàn)3.75W/mm*mrad@15W-100μm條寬 & 3W/mm*mrad@30W-230μm條寬，電光效率基本維持在60%附近。

根據(jù)密集空間排列理論[6]，按照光纖耦合效率均值78%（從芯片發(fā)射激光到光纖耦合輸出：單波長空間合束和偏振合束，不帶VBG）計(jì)算，且假設(shè)芯片工作在最高功率（不同電流時的芯片BPP不同），我們整理了一份數(shù)據(jù)圖，如下：

 芯片亮度VS不同芯徑光纖耦合輸出功率

從上圖可以發(fā)現(xiàn)，對于確定的光纖（芯徑和NA固定）達(dá)到特定功率的耦合輸出時，對于不同亮度的芯片，數(shù)量不同，泵浦源的體積、重量也不同。對于光纖激光器的泵浦需求，選擇以上不同亮度的芯片制成的泵源，同等功率的光纖激光器的重量和體積截然不同，水冷系統(tǒng)的配置也有較大差異。

高效率、小體積、輕質(zhì)化是未來激光光源（無論半導(dǎo)體激光、固體激光還是光纖激光）發(fā)展的必然趨勢，而半導(dǎo)體芯片的亮度、效率和功率在其中起了決定性作用。

輕質(zhì)化、高亮度、高功率泵浦源

為了適配光纖合束器，我們選擇了常用光纖規(guī)格：135μm NA0.22和220μm NA0.22，兩種泵源的光學(xué)設(shè)計(jì)均采用了密集空間排列和偏振合束。

其中420WLD采用了3.75W/mm*mrad@15W芯片和135μm NA0.22光纖，并進(jìn)行了VBG波長鎖定，滿足30-100%功率鎖波要求，電光效率41%。LD機(jī)身采用鋁合金材料和三明治結(jié)構(gòu)[5],上、下兩面的芯片共用水冷通道，提升了空間利用率，光斑排列、光譜和功率輸出（光纖內(nèi)功率）如圖所示：

 420W@135μm NA0.22 LD

我們選取了6只LD進(jìn)行高低溫沖擊和振動測試，測試數(shù)據(jù)如下：

 高低溫沖擊測試

振動測試

1000WLD采用了3W/mm*mrad@30W芯片和220μm NA0.22光纖，分別實(shí)現(xiàn)了915nm和976nm光纖耦合輸出1000W，電光效率＞44%。LD機(jī)身同樣采用了鋁合金材料，為了追求更高的功質(zhì)比，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的條件下，對LD外殼做了精簡處理，LD質(zhì)量、光斑排列以及輸出功率（光纖內(nèi)功率）如下圖： 

1000W@220μm NA0.22 LD

為了提升泵源的可靠性，耦合端光纖采用了石英端帽熔接和包層光濾除技術(shù)，這使得泵源外的光纖溫度處于室溫附近。6只976nmLD被選取用來做高低溫沖擊和振動測試，測試結(jié)果如下：

高低溫沖擊測試

振動測試

結(jié)論

實(shí)現(xiàn)高亮度輸出要以犧牲電光效率為代價，即最高輸出功率和最高電光效率不能同時獲得，這是由芯片亮度和耦合光纖的歸一化頻率決定的。在多單管空間合束技術(shù)中，亮度和效率始終是不可兼得的目標(biāo)。電光效率和功率的平衡選擇要根據(jù)具體的應(yīng)用確定，側(cè)重不同，選擇固然有差異。

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