金阿立　周斌　喬顯金　周樹(shù)陽(yáng)　楊發(fā)倫

摘 要：用于激光夜視監(jiān)控系統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束通常是橢圓高斯光束。為了克服其高階模的不均勻性、大垂直發(fā)散角等問(wèn)題，需要利用光纖耦合技術(shù)對(duì)激光光束進(jìn)行整形和光斑均勻化處理，以便于工程應(yīng)用。在分析光纖耦合技術(shù)原理及耦合損耗的基礎(chǔ)上，對(duì)半導(dǎo)體激光器與多模光纖耦合問(wèn)題進(jìn)行討論，給出可行的耦合工藝方法，實(shí)現(xiàn)了光斑的均勻化輸出。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光器 光纖耦合 整形 光斑均勻化

中圖分類號(hào)：TN248；TN25 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2019）04（c）-0099-03

半導(dǎo)體激光器可用于激光夜視監(jiān)控系統(tǒng)等中遠(yuǎn)距離照明場(chǎng)合，為了克服其高階模不均勻性、大垂直發(fā)散角等問(wèn)題，需要進(jìn)行光纖耦合。其目的是將激光光束低損耗地耦合到系統(tǒng)中，通過(guò)壓縮光束發(fā)散角或光束束腰半徑實(shí)現(xiàn)光束整形，以改善遠(yuǎn)場(chǎng)對(duì)稱性和光斑形狀，便于工程應(yīng)用。半導(dǎo)體激光器與光纖耦合技術(shù)一直是近年來(lái)的重要研究方向，產(chǎn)生了如單模光纖耦合、單管多模光纖耦合、列陣大功率光纖耦合等耦合系統(tǒng)。其中，國(guó)外多模光纖耦合可從芯徑100μm得到30W以上功率。國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體激光器芯片的制作工藝還存在一定差距，比如出光面尺寸較大，發(fā)散角內(nèi)光功率占比比較低等。本文根據(jù)照明激光光源整形和均勻化要求，采用多模光纖耦合技術(shù)，對(duì)半導(dǎo)體激光器輸出光斑進(jìn)行耦合處理，以實(shí)現(xiàn)中等輸出功率和中等距離的激光照明效果。

1 半導(dǎo)體激光器光纖耦合原理

半導(dǎo)體激光器有源區(qū)截面的尺寸通常比較小，單模一般為0.15μm×（2～4）μm，多模為1μm×（100～200）μm，其遠(yuǎn)場(chǎng)為橢圓高斯光束，存在較大的發(fā)散角，特別是在垂直于結(jié)平面上的光束，其發(fā)散角（）約為40°[3]。

2 半導(dǎo)體激光器與多模光纖耦合

對(duì)于以多模形式為主的中等功率以上半導(dǎo)體激光器，通常采用與大芯徑的多模光纖耦合，才可獲得大功率輸出（從幾瓦到幾百瓦）[4]，十分適用于激光也是監(jiān)控系統(tǒng)的距離照明。

2.1 單管耦合原理及性能分析

要保證高效率光纖耦合，必須盡可能減小光束質(zhì)量損失，因此在耦合工藝上應(yīng)將光束整形為域光纖芯端面相似大小和形狀。但另一方面，激光光束特性在水平和垂直方向上并不對(duì)稱。在發(fā)散角較小的水平方向上，光束質(zhì)量較差，光束特性介于高斯光束和幾何光束之間；在發(fā)散角較大的垂直方向上，光束質(zhì)量接近衍射基線，呈高斯分布。為簡(jiǎn)化討論，我們采用幾何光學(xué)近似，將激光束視為由水平和垂直兩個(gè)方向上的兩個(gè)點(diǎn)光源發(fā)射，于是得到端面尺寸為1μm×（100～200）μm，如圖1所示。其中，水平方向上的點(diǎn)光源在半導(dǎo)體窗口后約2mm處，垂直方向上點(diǎn)光源緊貼于半導(dǎo)體窗口后（不大于2μm）。

由圖1可知，半導(dǎo)體激光器光束形狀極不對(duì)稱，垂直方向上發(fā)散角一般為40°（數(shù)值孔徑約為0.34），而通常光纖的數(shù)值孔徑為0.22，因此需要在該方向上進(jìn)行準(zhǔn)直；水平方向上，對(duì)于中等功率以上半導(dǎo)體激光器，其發(fā)射窗口的條寬在200μm以上，而光纖芯徑一般小于200μm，因此需要在該方向上進(jìn)行聚焦。

圖2給出了多模光纖耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。采用微型柱透鏡對(duì)垂直方向進(jìn)行準(zhǔn)直，其尺寸為Φ200μm×720μm，鍍808nm增透膜，采用球透鏡或自聚焦透鏡進(jìn)行聚焦。

由式（9）可知，為提高聚焦能力，應(yīng)采用大折射率材料，如直徑為2mm的石英球透鏡，其焦距僅為1.1mm。

利用透鏡整形，針對(duì)不同光纖芯徑的激光照明實(shí)驗(yàn)可得如圖3所示光斑圖樣。其中，400μm光纖芯徑經(jīng)透鏡整形，照明光斑十分不均勻，100μm光纖芯徑的照明光斑亮暗對(duì)比過(guò)于明顯，相對(duì)而言200μm光纖芯徑的效果最好。

為了耦合系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單實(shí)用，我們采用一種光纖頭特殊處理技術(shù)，即將平面光纖研磨成特殊形狀，從而省略了自聚焦透鏡，如圖4所示。

我們以5W單管半導(dǎo)體激光器為例，對(duì)上述四種錐角尺寸光纖頭進(jìn)行了試驗(yàn)，其結(jié)果如表1所示。

由表1可知，不同光纖芯徑可選擇不同耦合技術(shù)，如對(duì)于400μm光纖芯徑，采用平頭直接耦合方法，可得到94%的耦合效率，且生產(chǎn)成本基數(shù)低；對(duì)于100μm光纖芯徑，選擇錐球面直接耦合或錐球面+圓柱透鏡耦合，都可較平頭直接耦合或平頭+圓柱透鏡耦合提高1倍耦合效率，不過(guò)成本增加了3～4成。本文將采用平頭+圓柱透鏡工藝方法。

2.2 平頭光纖+圓柱透鏡工藝

平頭光纖+圓柱透鏡的耦合工藝，主要是采用柱透鏡進(jìn)行光束快軸預(yù)準(zhǔn)直，如圖5所示，為柱透鏡光纖耦合示意圖。在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用一根100μm光纖代替圓柱透鏡。其工藝過(guò)程大體分為三步。首先，將光纖的涂覆層剝離；其次，利用六維調(diào)整架對(duì)裸露光纖進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)光束預(yù)準(zhǔn)直；最后，粘貼到熱沉上。

通過(guò)預(yù)準(zhǔn)直，激光光束質(zhì)量可得到顯著提升，快軸發(fā)散角壓縮到3°～5°。預(yù)準(zhǔn)直后，利用光纖夾具將制備好的光纖一同安裝到六維調(diào)整架上。

3 封裝、測(cè)試及老化實(shí)驗(yàn)分析

封裝，是利用激光焊接、注膠、機(jī)械定位等方法，將半導(dǎo)體激光器與光纖安裝到銅制盒體內(nèi)，以便使用。盒體設(shè)計(jì)主要基于兩種考慮，散熱性和空間結(jié)構(gòu)。良好的散熱可保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，從而避免因盒體過(guò)熱燒壞系統(tǒng)，散熱上應(yīng)考慮激光管、光纖與熱沉之間的散熱性，一級(jí)熱沉與二級(jí)熱沉之間的散熱性，以及二級(jí)熱沉與盒體之間的散熱性；盒體空間設(shè)計(jì)上，應(yīng)合理安排各元器件的相對(duì)位置，以便節(jié)省空間，節(jié)約成本。圖6為自行設(shè)計(jì)的盒體樣本的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

光纖耦合系統(tǒng)完成封裝后，應(yīng)進(jìn)行測(cè)試和老化試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖7、圖8所示。其中圖7為光纖耦合后的輸出光斑圖樣，與圖3給出的三組光斑圖樣相比，該輸出光斑具有較好均勻化。圖8為光纖耦合前后的P-I特性曲線。

由P-I特性曲線可知，半導(dǎo)體激光器通過(guò)準(zhǔn)直后，其準(zhǔn)直效率為97%，耦合進(jìn)入光纖的耦合效率達(dá)到87%以上。對(duì)于常用于紅外激光照明的單管半導(dǎo)體激光器，若其功率為1.5W～2W，經(jīng)測(cè)算可實(shí)現(xiàn)150～300m距離上的照明。

上述單管半導(dǎo)體激光器利用單根光纖耦合，可得到中等輸出功率（1.5～2W）的激光照明，實(shí)現(xiàn)中等距離的夜間監(jiān)視。若需大輸出功率激光照明，可采用多管疊加耦合的方法，以滿足數(shù)公里的遠(yuǎn)距離需求，例如3個(gè)疊加可得到5～6W輸出功率，19個(gè)疊加可得到30～40W輸出功率。但這種疊加存在的主要問(wèn)題是體積較大，功率密度較低，得到的光束質(zhì)量一般。

4 結(jié)語(yǔ)

為滿足激光夜視監(jiān)控系統(tǒng)的照明需求，本文利用光纖耦合原理實(shí)現(xiàn)了激光器的整形處理。在給出光纖耦合原理基礎(chǔ)上，從原理、工藝、測(cè)試等方面對(duì)半導(dǎo)體激光器與多模光纖耦合問(wèn)題進(jìn)行了研究。單管半導(dǎo)體激光器通過(guò)單根光纖耦合后可得到圓光斑，再通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)發(fā)散角壓縮，獲得中等輸出功率和中等距離照明。針對(duì)大功率輸出和遠(yuǎn)距離照明，考慮采用列陣耦合得到多纖芯捆綁的大芯徑光纖輸出激光器，將另文討論。

參考文獻(xiàn)

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[3] 趙發(fā)英，張全.平端光纖與錐形球透鏡光纖的耦合[J]. 光子學(xué)報(bào)，2003，32（2）：218-220.

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[5] 許孝芳，李麗娜.高功率半導(dǎo)體激光器列陣光纖耦合模塊[J].紅外與激光工程，2006，35（1）：86-88.