金阿立 周斌 喬顯金 周樹陽 楊發(fā)倫

摘? ?要：用于激光夜視監(jiān)控系統的半導體激光器發(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)散角等問題，需要利用光纖耦合技術對激光光束進行整形和光斑均勻化處理，以便于工程應用。在分析光纖耦合技術原理及耦合損耗的基礎上，對半導體激光器與多模光纖耦合問題進行討論，給出可行的耦合工藝方法，實現了光斑的均勻化輸出。

關鍵詞：半導體激光器? 光纖耦合? 整形? 光斑均勻化

中圖分類號：TN248;TN25? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）04（c）-0099-03

半導體激光器可用于激光夜視監(jiān)控系統等中遠距離照明場合，為了克服其高階模不均勻性、大垂直發(fā)散角等問題，需要進行光纖耦合。其目的是將激光光束低損耗地耦合到系統中，通過壓縮光束發(fā)散角或光束束腰半徑實現光束整形，以改善遠場對稱性和光斑形狀，便于工程應用。半導體激光器與光纖耦合技術一直是近年來的重要研究方向，產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。其中，國外多模光纖耦合可從芯徑100μm得到30W以上功率。國內半導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)散角內光功率占比比較低等。本文根據照明激光光源整形和均勻化要求，采用多模光纖耦合技術，對半導體激光器輸出光斑進行耦合處理，以實現中等輸出功率和中等距離的激光照明效果。

1? 半導體激光器光纖耦合原理

半導體激光器有源區(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，其遠場為橢圓高斯光束，存在較大的發(fā)散角，特別是在垂直于結平面上的光束，其發(fā)散角（）約為40°[3]。

在高斯近似條件下，可以將激光基模輸出的場分布寫為：

式中，Ψ0為場振幅Ψ0，ω0x為平行于結平面的光束束腰半徑，ω0v為垂直于結平面上光束束腰半徑。設在近軸條件下，耦合系統以ABCD傳輸矩陣表示，則經過光纖耦合系統變換后，在輸出端面上的場分布為：

式中，

式中，為新振幅;k為傳播常數;λ0為真空中的激光波長;Rx、Ry為等相位面曲;率半徑ωx，ωy為光斑半徑。

在近軸條件下得到的公式（2），需要針對大發(fā)散角高斯光束修正。對于單模光纖，當其歸一化頻率V大于0.75時，導波本征模為：

式中，r為極坐標，。

若已知單模光纖的ΨF和具體形式，可依據下式得到單模光纖耦合效率：

式中，Rj為系統第j個光學界面的總反射率。

對于多模光纖耦合問題，采用光線追跡法則更為簡便?？紤]到多模光纖芯徑遠大于導波波長，采用光線追跡法討論該問題可保證足夠精度。將激光高斯光束分解為Nj根光線，經耦合系統后，若進入光纖芯內并形成穩(wěn)定傳輸模式的光線數量為Ni（入射角小于多模光纖數值孔徑），則耦合效率為：

2? 半導體激光器與多模光纖耦合

對于以多模形式為主的中等功率以上半導體激光器，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量損失，因此在耦合工藝上應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稱。在發(fā)散角較小的水平方向上，光束質量較差，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，光束質量接近衍射基線，呈高斯分布。為簡化討論，我們采用幾何光學近似，將激光束視為由水平和垂直兩個方向上的兩個點光源發(fā)射，于是得到端面尺寸為1μm×（100～200）μm，如圖1所示。其中，水平方向上的點光源在半導體窗口后約2mm處，垂直方向上點光源緊貼于半導體窗口后（不大于2μm）。

由圖1可知，半導體激光器光束形狀極不對稱，垂直方向上發(fā)散角一般為40°（數值孔徑約為0.34），而通常光纖的數值孔徑為0.22，因此需要在該方向上進行準直;水平方向上，對于中等功率以上半導體激光器，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行聚焦。

圖2給出了多模光纖耦合系統的結構原理圖。采用微型柱透鏡對垂直方向進行準直，其尺寸為Φ200μm×720μm，鍍808nm增透膜，采用球透鏡或自聚焦透鏡進行聚焦。

對于圓柱或球透鏡，焦距為：

式中，n為透鏡折射率，r為光學面曲率半徑。

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

利用透鏡整形，針對不同光纖芯徑的激光照明實驗可得如圖3所示光斑圖樣。其中，400μm光纖芯徑經透鏡整形，照明光斑十分不均勻，100μm光纖芯徑的照明光斑亮暗對比過于明顯，相對而言200μm光纖芯徑的效果最好。

為了耦合系統更為簡單實用，我們采用一種光纖頭特殊處理技術，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單管半導體激光器為例，對上述四種錐角尺寸光纖頭進行了試驗，其結果如表1所示。

由表1可知，不同光纖芯徑可選擇不同耦合技術，如對于400μm光纖芯徑，采用平頭直接耦合方法，可得到94%的耦合效率，且生產成本基數低;對于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行光束快軸預準直，如圖5所示，為柱透鏡光纖耦合示意圖。在實際應用中，通常采用一根100μm光纖代替圓柱透鏡。其工藝過程大體分為三步。首先，將光纖的涂覆層剝離;其次，利用六維調整架對裸露光纖進行調整，實現光束預準直;最后，粘貼到熱沉上。

通過預準直，激光光束質量可得到顯著提升，快軸發(fā)散角壓縮到3°～5°。預準直后，利用光纖夾具將制備好的光纖一同安裝到六維調整架上。

3? 封裝、測試及老化實驗分析

封裝，是利用激光焊接、注膠、機械定位等方法，將半導體激光器與光纖安裝到銅制盒體內，以便使用。盒體設計主要基于兩種考慮，散熱性和空間結構。良好的散熱可保證系統正常運行，從而避免因盒體過熱燒壞系統，散熱上應考慮激光管、光纖與熱沉之間的散熱性，一級熱沉與二級熱沉之間的散熱性，以及二級熱沉與盒體之間的散熱性;盒體空間設計上，應合理安排各元器件的相對位置，以便節(jié)省空間，節(jié)約成本。圖6為自行設計的盒體樣本的內部結構。

光纖耦合系統完成封裝后，應進行測試和老化試驗。實驗結果分別如圖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，半導體激光器通過準直后，其準直效率為97%，耦合進入光纖的耦合效率達到87%以上。對于常用于紅外激光照明的單管半導體激光器，若其功率為1.5W～2W，經測算可實現150～300m距離上的照明。

上述單管半導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，實現中等距離的夜間監(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，以滿足數公里的遠距離需求，例如3個疊加可得到5～6W輸出功率，19個疊加可得到30～40W輸出功率。但這種疊加存在的主要問題是體積較大，功率密度較低，得到的光束質量一般。

4? 結語

為滿足激光夜視監(jiān)控系統的照明需求，本文利用光纖耦合原理實現了激光器的整形處理。在給出光纖耦合原理基礎上，從原理、工藝、測試等方面對半導體激光器與多模光纖耦合問題進行了研究。單管半導體激光器通過單根光纖耦合后可得到圓光斑，再通過光學系統可以實現發(fā)散角壓縮，獲得中等輸出功率和中等距離照明。針對大功率輸出和遠距離照明，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

[1] 黃德修，劉雪峰.半導體激光器及其應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，1999.

[2] 黃德修.半導體光電子學[M].西安：電子科技大學出版社，1994.

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

[4] 于海鷹.半導體激光器與光纖高效耦合特性的研究[D]. 北京工業(yè)大學，2006.

[5] 許孝芳，李麗娜.高功率半導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.