半導(dǎo)體激光光纖耦合技術(shù)研究

1、編號(hào)20141022134本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)半導(dǎo)體激光光纖耦合技術(shù)研究Research on Coupling System between Laser Diode and Fiber學(xué) 生 姓 名顧學(xué)建專(zhuān) 業(yè)測(cè)控技術(shù)與儀器學(xué) 號(hào)1022134指 導(dǎo) 教 師王菲分 院光電工程分院2014年6月 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 摘 要隨著光電子器件的迅速發(fā)展，半導(dǎo)體激光器的用途越來(lái)越廣。半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量成了制約半導(dǎo)體激光器應(yīng)用的主要瓶頸。而半導(dǎo)體激光器與光纖的耦合，對(duì)半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量改善有著重要意義。如何提高半導(dǎo)體激光器的耦合效率成為人們?cè)絹?lái)越關(guān)注的問(wèn)題。本文介紹了半導(dǎo)體

2、激光器光纖耦合的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。講述了半導(dǎo)體激光器和光纖的基本知識(shí)，介紹了半導(dǎo)體激光光纖耦合的幾種常用方法，對(duì)影響耦合效率的因素加以分析，并詳細(xì)闡述大功率半導(dǎo)體激光器列陣光纖的耦合方案。關(guān)鍵字：半導(dǎo)體激光器 光纖耦合 耦合效率ABSTRACTWith the rapid development of optoelectronic devices, semiconductor lasers are used more and more. Semiconductor laser beam quality has become a major bottleneck restricti

3、ng the application of semiconductor laser. The semiconductor coupling optical device and fiber is of great significance to improve the beam quality of semiconductor lasers. How to improve the coupling efficiency of semiconductor laser has become a growing concern.This paper introduces the applicatio

4、n of fiber coupled semiconductor laser status and development trend of domestic and foreign research. Described the basic knowledge of semiconductor laser and optical fiber. This paper introduces several common methods for semiconductor laser to fiber coupling. Analysis of the factors affecting the

5、coupling efficiency .And describes the coupling scheme of high power semiconductor laser array optical fiber.Keywords: Semiconductor Laser Diode Fiber Couple Couple Efficiency目 錄第一章 緒論11.1 研究的目的及意義11.2 半導(dǎo)體激光器光纖耦合的應(yīng)用11.3 半導(dǎo)體激光器光纖耦合的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.4半導(dǎo)體激光器光纖耦合的發(fā)展趨勢(shì)2第二章 半導(dǎo)體激光與光纖光學(xué)42.1

6、0;半導(dǎo)體激光器的光束特性42.2光纖理論52.3光線(xiàn)在均勻折射率光纖中的傳播規(guī)律8第三章 光纖耦合技術(shù)103.1半導(dǎo)體激光光纖耦合的幾種常用方法103.2影響光纖耦合效率的因素113.3光纖耦合時(shí)需要注意的問(wèn)題15第四章 大功率半導(dǎo)體激光器及列陣光纖耦合具體方案174.1大功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合技術(shù)174.1.1直接耦合174.1.2利用光學(xué)系統(tǒng)對(duì)半導(dǎo)體激光與光纖進(jìn)行耦合184.2大功率半導(dǎo)體激光器列陣光纖耦合具體方案204.2.1半導(dǎo)體激光器條形巴（LD Bar）204.2.2二維半導(dǎo)體激光器堆棧（LD Stack）214.2.3半導(dǎo)體激光器條形Bar的耦合方案214.2.4光

7、束整形23結(jié) 論29參考文獻(xiàn)30致 謝31I第一章 緒論1.1 研究的目的及意義近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體激光器在通信，工業(yè)，航空，軍事等多個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，以及光纖制造技術(shù)和加工工藝的日漸提升，光纖通訊和光纖傳感中的傳輸損耗已經(jīng)降到接近極限，使得信號(hào)的傳輸能力和保真能力顯著提高，而半導(dǎo)體激光器與光纖的耦合損耗問(wèn)題也越來(lái)越重要。由于半導(dǎo)體激光器的光波導(dǎo)存在很大的非對(duì)稱(chēng)性，其輸出光束光斑不對(duì)稱(chēng)，并且具有較大的發(fā)散角，使得半導(dǎo)體激光器的直接應(yīng)用受到限制。因此，更好的將半導(dǎo)體激光器的光束有效耦合到光纖中成為重要的課題，提高耦合效率變得愈發(fā)重要。1.2 半導(dǎo)體激光器光纖耦合的應(yīng)用隨著信息化

8、社會(huì)的到來(lái)，高速率信息流的載入、傳輸、交換、處理及存儲(chǔ)是技術(shù)關(guān)鍵。信息技術(shù)己成為當(dāng)今全球性的戰(zhàn)略技術(shù)。以光電子和微電子為基礎(chǔ)所支持的通信和網(wǎng)路技術(shù)已成為高技術(shù)的核心，正在深刻影響著國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域。具體說(shuō)，半導(dǎo)體激光器及光纖的耦合器件主要有一下幾方面的應(yīng)用：一、用于泵浦固體激光器和光纖激光器現(xiàn)在大部分的固體激光器都采用燈泵浦，用高功率半導(dǎo)體激光器及其列陣的光纖耦合模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燈泵，無(wú)論在價(jià)格、體積、重量、安全可靠性還是柔性加工燈方面，都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。二、軍事方面的應(yīng)用半導(dǎo)體激光測(cè)距；用于直升飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈前視防撞雷達(dá)；用于對(duì)潛通信；用于機(jī)載航天激光雷達(dá)；半導(dǎo)體激光模擬武器；軍用

9、光纖陀螺；激光照明以及激光測(cè)距等。三、生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用輸出波長(zhǎng)為805nm左右的半導(dǎo)體激光器很適合人體的手術(shù)治療；激光也可以用于牙科治療，正確選擇激光參數(shù)可以對(duì)牙齒實(shí)施幾乎無(wú)痛的打針，這種非接觸式的激光打孔避免了機(jī)械鉆孔所帶來(lái)的疼痛；激光無(wú)痛采血儀是近年來(lái)開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種激光由于醫(yī)學(xué)上的儀器。四、加工上的應(yīng)用高功率半導(dǎo)體激光器列陣的光纖耦合模塊，可以直接應(yīng)用在激光焊接工藝中，還可以應(yīng)用于打標(biāo)、切割和材料處理等1-2。1.3 半導(dǎo)體激光器光纖耦合的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀近兩年來(lái)，除了Coherent、SDL(J.D.SUniphase)、Spectraphysics等多年來(lái)一直從事高功率激光耦合

10、產(chǎn)品的公司外，新生了很多專(zhuān)門(mén)致力于生產(chǎn)大功率激光耦合產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)公司。同時(shí)越來(lái)越多的通信光電子制造商涉足大功率激光產(chǎn)業(yè)，且取得了飛速的發(fā)展。諸如Eagleyard、OSRAM、FBH、Lasert Jet、Bookham等。國(guó)內(nèi)大功率半導(dǎo)體激光光纖耦合產(chǎn)品尚無(wú)大批量應(yīng)用。與國(guó)外產(chǎn)品的主要差距在于器件的材料和加工工藝上。國(guó)外半導(dǎo)體激光器及光纖在材料性能上占有顯著優(yōu)勢(shì)，其主要性能如功率穩(wěn)定性、光電指標(biāo)、使用壽命都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品。另一方面在產(chǎn)品商品化上，在沖擊振動(dòng)#高低溫及濕度變化大的環(huán)境中工作等方面均存在很大差距。另外，應(yīng)用微透鏡列陣進(jìn)行大功率半導(dǎo)體激光器的光纖耦合，國(guó)內(nèi)在光學(xué)鏡片制造技術(shù)方面也遠(yuǎn)

11、遠(yuǎn)落后于國(guó)外。尤其用于大功率列陣耦合的微透鏡，只有美國(guó)一些公司和德國(guó)的UMO等公司可以提供相應(yīng)的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)應(yīng)該在基礎(chǔ)制造工業(yè)方面拉近與歐美之間的差距，高端激光耦合產(chǎn)品才能獲得持續(xù)、穩(wěn)定、成熟的發(fā)展。大功率激光光纖耦合技術(shù)除了用于大功率半導(dǎo)體抽運(yùn)激光器抽運(yùn)源外，還有很多直接應(yīng)用到工業(yè)加工、醫(yī)療等場(chǎng)合。受需求牽引，其發(fā)展很快，而且日益呈現(xiàn)出新技術(shù)、新產(chǎn)品形式出現(xiàn)的特點(diǎn)，給國(guó)內(nèi)從事本領(lǐng)域科研和產(chǎn)業(yè)化工作的人們帶來(lái)的啟示是。只有產(chǎn)品緊密結(jié)合，才能尋找出共同發(fā)展之路，才能在日益激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中占有一席之地。1.4半導(dǎo)體激光器光纖耦合的發(fā)展趨勢(shì)隨著半導(dǎo)體激光器及其列陣光纖耦合模塊性能的改善，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)

12、越廣，在激光器市場(chǎng)中的份額日益增大。未來(lái)半導(dǎo)體激光器及其列陣光纖耦合模塊的發(fā)展趨勢(shì)將重點(diǎn)放在以下幾個(gè)方面：（1）可以采用多個(gè)cm條線(xiàn)列陣疊層形式或采用多根光纖集束進(jìn)一步提高輸出功率。（2）可以減少因菲涅爾反射而造成能量損耗，從而增加輸出光功率。（3）因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器及其列陣工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，若不及時(shí)散失，會(huì)使模塊溫度升高嚴(yán)重影響激光器的正常工作，造成波長(zhǎng)漂移，輸出功率下降以及光學(xué)災(zāi)變(COD)。目前的散熱措施主要有半導(dǎo)體致冷結(jié)合水冷和風(fēng)冷。（4）加速微光學(xué)元件的研制，進(jìn)一步提高耦合效率。微光學(xué)元件具有體積小、重量輕、設(shè)計(jì)靈活可實(shí)現(xiàn)陣列化和易大批量復(fù)制等優(yōu)點(diǎn)己成功地應(yīng)用到現(xiàn)代光學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域

13、中，尤其是在激光光學(xué)領(lǐng)域，它可以改變激光光束波面，實(shí)現(xiàn)光束變換，如光束的準(zhǔn)直、整形及光學(xué)交換和光學(xué)互聯(lián)等。因此在這方面的研究潛力很大，市場(chǎng)也很廣闊。（5）更加小型化、輕型化。為適應(yīng)航空航天及軍事上的需要，高功率半導(dǎo)體激光器及其光耦合模塊必須向著小型化和輕型化的方向發(fā)展，目前主要是減小激勵(lì)源的體積，同時(shí)溫控系統(tǒng)也要小。第二章 半導(dǎo)體激光與光纖光學(xué)2.1 半導(dǎo)體激光器的光束特性半導(dǎo)體激光器自誕生以來(lái)，有著效率高、壽命長(zhǎng)、體積小、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在著光束發(fā)散角較大 、對(duì)環(huán)境溫度變化較敏感、對(duì)驅(qū)動(dòng)電源要求高等缺陷。1、輸出模式半導(dǎo)體激光器輸出光束特性和其波導(dǎo)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的

14、，所謂的模式就是光的電磁場(chǎng)在這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的分布。光場(chǎng)在傳播方向上的分布稱(chēng)為縱模，而光場(chǎng)在垂直方向上的分布稱(chēng)為橫模。實(shí)際的半導(dǎo)體激光器為了實(shí)現(xiàn)橫向的電流限制和光限制，一般做成條形結(jié)構(gòu)。只有條寬很小時(shí)才能得到基橫模輸出。對(duì)于基橫模輸出的光束可以把它看作高斯光束，使分析過(guò)程簡(jiǎn)化。2、發(fā)散和不對(duì)稱(chēng)典型條狀半導(dǎo)體激光器有源區(qū)厚度只有零點(diǎn)幾微米，有源區(qū)寬度卻有一至幾百微米，這將導(dǎo)致產(chǎn)生一個(gè)不對(duì)稱(chēng)的束腰，因而輸出光束是不對(duì)稱(chēng)的。一般在垂直尸N結(jié)方向上的發(fā)散角在30°-40°之間。在平行PN結(jié)平面方向上的發(fā)散則同垂直方向相比要小2-6倍。這就導(dǎo)致了半導(dǎo)體激光器輸出光束是如圖2.1所示橢圓

15、截面。在一些應(yīng)用中，半導(dǎo)體激光器的這種輸出光束的這個(gè)特點(diǎn)并不影響使用，但在另外有些應(yīng)用中則是必須加以校正的3-4。圖2.1半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)特性3、像散半導(dǎo)體激光器輸出光束存在很大的像散。像散是一種光學(xué)像差，是指激光器輸出光束在快軸和慢軸方向的發(fā)射源點(diǎn)不重合，其中軸向距離z用來(lái)衡量激光束像散的嚴(yán)重程度。像散的存在嚴(yán)重的破壞了光束的同心性，使得快軸方向和慢軸方向的光束用一個(gè)簡(jiǎn)單的透鏡無(wú)法同時(shí)聚焦。在平行于結(jié)面上，可以認(rèn)為光是從距半導(dǎo)體激光器出光表面距離z的有源區(qū)內(nèi)部發(fā)出的如圖2-2(b)所示，在垂直于結(jié)面上，光從出光表面開(kāi)始發(fā)射如圖2.2 (a)。圖2.2（a）垂直于結(jié)方向（快軸）的發(fā)散角和像點(diǎn)

16、圖2.2(b） 平行于結(jié)方向的發(fā)散角的像點(diǎn)在應(yīng)用中，像散是需要消除的，一般有兩種做法，即或選用無(wú)像散的半導(dǎo)體激光器，或用光學(xué)系統(tǒng)來(lái)校正像散4-7。2.2光纖理論光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱(chēng)。它是工作在光波波段的一種介質(zhì)波導(dǎo)，通常是圓柱形。光纖把以光的形式出現(xiàn)的電磁波能量利用全反射原理約束在其界面內(nèi)，并引導(dǎo)光波沿著光纖軸線(xiàn)的方向前進(jìn)。光纖的傳播特性由其結(jié)構(gòu)和材料決定，結(jié)構(gòu)、材料不同的光纖其性能差別很大。光纖的基本結(jié)構(gòu)是兩層圓柱狀媒質(zhì)，內(nèi)層為纖芯，外層為包層，纖芯的折射率n1比包層n2的折射率稍大。當(dāng)滿(mǎn)足一定的入射條件時(shí)，光波就能沿著纖芯向前傳播。實(shí)際的光纖在包層外面還有一層保護(hù)層，其作用是保護(hù)光纖免受環(huán)

17、境污染和機(jī)械損傷。有的光纖還有更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，以滿(mǎn)足使用中的不同需要。圖2.3是光纖的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖2.3光纖的結(jié)構(gòu)圖按照光纖的材料，可以將光纖的種類(lèi)分為石英光纖和全塑光纖。石英光纖一般是指由摻雜石英芯和摻雜石英包層組成的光纖。這種光纖有很低的損耗和中等程度的色散。目前通信用光纖絕大多數(shù)是石英光纖。全塑光纖是一種通信用新型光纖，尚在研制、試用階段。全塑光纖具有損耗大、纖芯粗(直徑100600m)、數(shù)值孔徑(NA)大(一般為0.30.5，可與光斑較大的光源耦合使用)及制造成本較低等特點(diǎn)。目前，全塑光纖適合于較短長(zhǎng)度的應(yīng)用，如室內(nèi)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)和船舶內(nèi)的通信等。 按照光纖剖面折射率分布的不同，可以將光纖的

18、種類(lèi)分為階躍型光纖和漸變型光纖。按照光纖傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量，可以將光纖的種類(lèi)分為多模光纖和單模光纖，如圖2.4。單模光纖是只能傳輸一種模式的光纖。單模光纖只能傳輸基模(最低階模)，不存在模間時(shí)延差，具有比多模光纖大得多的帶寬，這對(duì)于高碼速傳輸是非常重要的。單模光纖的模場(chǎng)直徑僅幾微米(m)，其帶寬一般比漸變型多模光纖的帶寬高一兩個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，它適用于大容量、長(zhǎng)距離通信。光纖傳輸具有很多優(yōu)點(diǎn)：一、頻帶寬頻帶的寬窄代表傳輸容量的大小。載波的頻率越高，可以傳輸信號(hào)的頻帶寬度就越大。在VHF頻段，載波頻率為48.5MHz300Mhz。帶寬約250MHz，只能傳輸27套電視和幾十套調(diào)頻廣播?？梢?jiàn)光的頻率達(dá)1

19、00000GHz，比VHF頻段高出一百多萬(wàn)倍。盡管由于光纖對(duì)不同頻率的光有不同的損耗，使頻帶寬度受到影響，但在最低損耗區(qū)的頻帶寬度也可達(dá)30000GHz。目前單個(gè)光源的帶寬只占了其中很小的一部分(多模光纖的頻帶約幾百兆赫，好的單模光纖可達(dá)10GHz以上)，采用先進(jìn)的相干光通信可以在30000GHz范圍內(nèi)安排2000個(gè)光載波，進(jìn)行波分復(fù)用，可以容納上百萬(wàn)個(gè)頻道。二、損耗低在同軸電纜組成的系統(tǒng)中，最好的電纜在傳輸800MHz信號(hào)時(shí)，每公里的損耗都在40dB以上。相比之下，光導(dǎo)纖維的損耗則要小得多，傳輸1.31um的光，每公里損耗在0.35dB以下若傳輸1.55um的光，每公里損耗更小，可達(dá)0.2d

20、B以下。這就比同軸電纜的功率損耗要小一億倍，使其能傳輸?shù)木嚯x要遠(yuǎn)得多。此外，光纖傳輸損耗還有兩個(gè)特點(diǎn)，一是在全部有線(xiàn)電視頻道內(nèi)具有相同的損耗，不需要像電纜干線(xiàn)那樣必須引入均衡器進(jìn)行均衡；二是其損耗幾乎不隨溫度而變，不用擔(dān)心因環(huán)境溫度變化而造成干線(xiàn)電平的波動(dòng)。圖 2.4單模和多模光纖結(jié)構(gòu)示意圖三、重量輕因?yàn)楣饫w非常細(xì)，單模光纖芯線(xiàn)直徑一般為4um10um，外徑也只有125um，加上防水層、加強(qiáng)筋、護(hù)套等，用448根光纖組成的光纜直徑還不到13mm，比標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜的直徑47mm要小得多，加上光纖是玻璃纖維，比重小，使它具有直徑小、重量輕的特點(diǎn)，安裝十分方便。四、抗干擾能力強(qiáng)因?yàn)楣饫w的基本成分是石英

21、，只傳光，不導(dǎo)電，不受電磁場(chǎng)的作用，在其中傳輸?shù)墓庑盘?hào)不受電磁場(chǎng)的影響，故光纖傳輸對(duì)電磁干擾、工業(yè)干擾有很強(qiáng)的抵御能力。也正因?yàn)槿绱耍诠饫w中傳輸?shù)男盘?hào)不易被竊聽(tīng)，因而利于保密。五、保真度高因?yàn)楣饫w傳輸一般不需要中繼放大，不會(huì)因?yàn)榉糯笠胄碌姆蔷€(xiàn)性失真。只要激光器的線(xiàn)性好，就可高保真地傳輸電視信號(hào)。實(shí)際測(cè)試表明，好的調(diào)幅光纖系統(tǒng)的載波組合三次差拍比C/CTB在70dB以上，交調(diào)指標(biāo)cM也在60dB以上，遠(yuǎn)高于一般電纜干線(xiàn)系統(tǒng)的非線(xiàn)性失真指標(biāo)。六、工作性能可靠一個(gè)系統(tǒng)的可靠性與組成該系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量有關(guān)。設(shè)備越多，發(fā)生故障的機(jī)會(huì)越大。因?yàn)楣饫w系統(tǒng)包含的設(shè)備數(shù)量少(不像電纜系統(tǒng)那樣需要幾十個(gè)放大器)

22、，可靠性自然也就高，加上光纖設(shè)備的壽命都很長(zhǎng)，無(wú)故障工作時(shí)間達(dá)50萬(wàn)75萬(wàn)小時(shí)，其中壽命最短的是光發(fā)射機(jī)中的激光器，最低壽命也在10萬(wàn)小時(shí)以上。故一個(gè)設(shè)計(jì)良好、正確安裝調(diào)試的光纖系統(tǒng)的工作性能是非常可靠的。2.3光線(xiàn)在均勻折射率光纖中的傳播規(guī)律一、子午光纖傳播子午光線(xiàn)經(jīng)過(guò)全反射后仍在原入射平面內(nèi)，每一次反射后都與光纖軸相交，這是子午光線(xiàn)傳輸特點(diǎn)。如果光纖是均勻的直圓柱體，則入射于光纖一端的光線(xiàn)只要滿(mǎn)足全反射條件，它就會(huì)在另一端以相同于入射角的角度出射；如果光線(xiàn)的入射角不滿(mǎn)足全反射條件，其能量由于折射將很快損耗摔，無(wú)法在光纖中傳播。數(shù)值孔徑NA是與最大入射角相聯(lián)系的，表征了光纖的集光能力。數(shù)值孔

23、徑越大光纖的集光能力越強(qiáng)，能夠進(jìn)入光纖的光通量越多。二、斜光線(xiàn)傳播圖2.5斜光線(xiàn)全反射條件示意圖入射到光纖端面的光線(xiàn)，除了子午光線(xiàn)外，還有很多斜光線(xiàn)，它們和光纖中心軸是異面直線(xiàn)。由于斜光線(xiàn)和光纖中心不在一個(gè)平面內(nèi)，因而斜光線(xiàn)在光纖中進(jìn)行一次全反射，平面的方位就要改變一次。其光路軌跡是空間的螺旋折線(xiàn)，其在光纖端面的投影如圖2.5所示，這些螺旋折線(xiàn)與光纖中心軸線(xiàn)是等距的。QK為入射在光纖內(nèi)的斜光線(xiàn)，QK和光纖中心軸OO是既不平行，又不相交的異面直線(xiàn)。H為K在橫截面上的投影。QKH=，是斜光線(xiàn)和光纖軸之間的夾角。KQT=，是斜光線(xiàn)在光纖內(nèi)壁上的入射角。HQT=，是斜光線(xiàn)在入射點(diǎn)處橫截面上的投影QH和

24、法線(xiàn)QT之間的夾角，稱(chēng)為軸傾角。HTOT，則QT垂直于KHT平面。這樣，QTH，QKT，QKH均為直角三角形。在QTH中，在QKH中，在QKT中， （2.1）公式（2.1）說(shuō)明了三個(gè)角之間的關(guān)系。顯然光線(xiàn)在光纖內(nèi)壁發(fā)生全反射的臨界角c是不變的，c=n2/n1，而cosc=，這樣就可以得到斜光線(xiàn)的全反射條件為： （2.2）如果用光線(xiàn)在光纖端面上的入射角來(lái)代替折射角，則可以得到： （2.3）由于cos小于等于1，因此斜光線(xiàn)的數(shù)值孔徑要比子午光線(xiàn)的數(shù)值孔徑大。第三章 光纖耦合技術(shù)3.1半導(dǎo)體激光光纖耦合的幾種常用方法光纖耦合模塊采用光學(xué)系統(tǒng)對(duì)半導(dǎo)體激光器的光束進(jìn)行準(zhǔn)直、整形、變換，進(jìn)一步耦

25、合到光纖中，一方面從根本上改善了半導(dǎo)體激光器的輸出光束；另一方面由于光纖柔軟可彎曲，可將激光能量導(dǎo)向到任意方向，極大提高了實(shí)際應(yīng)用范圍。半導(dǎo)體激光器與光纖的耦合可以分為兩大類(lèi)8：一種是分離透鏡耦合，即在光源和光纖之間插入光學(xué)元件的方法，如插入透鏡、 棱鏡等；另一種是光纖直接耦合，即光纖和光源直接耦合，而不經(jīng)過(guò)任何系統(tǒng)。無(wú)論哪種方法， 目的都是對(duì)激光器發(fā)出的光場(chǎng)進(jìn)行整形， 使入射光場(chǎng)與光纖本征光場(chǎng)分布達(dá)到最大可能的匹配。下面介紹一下今年來(lái)國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體激光光纖耦合的集中常用方法：（1）激光光纖直接耦合這種方式是早期激光光纖耦合的方式，主要用在小功率激光的傳輸領(lǐng)域。該方式的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需要將激光的光

26、軸與光纖的軸線(xiàn)重合即可，但是這種結(jié)構(gòu)無(wú)法保證激光光軸與光纖軸線(xiàn)的精確對(duì)準(zhǔn)，并且存在著耦合效率太低的缺點(diǎn)，有報(bào)道的該方法可達(dá)到的最大耦合效率僅為24，目前僅在激光的傳輸領(lǐng)域還有應(yīng)用。（2）單透鏡聚焦耦合單透鏡耦合就是在激光器與光纖端面之間只加入一個(gè)透鏡，利用單個(gè)透鏡對(duì)半導(dǎo)體激光器的光束模場(chǎng)進(jìn)行整形，使其盡量適應(yīng)光纖的模場(chǎng)要求，可以取得比較好的耦合效果。在該耦合方法中，只用一個(gè)透鏡來(lái)完成激光束的聚焦。但是由于像差的存在，激光的聚焦效果會(huì)受到一些影響?？梢酝ㄟ^(guò)改變透鏡參數(shù)的方法來(lái)消除像差，但是會(huì)增加透鏡制作的難度。如果條件許可，可以使用完全消除像差的非球面透鏡，但是其制作費(fèi)用要比普通球面透鏡高出幾十

27、倍。常用的采用的透鏡包括：球透鏡、柱透鏡、自聚焦透鏡(GRIN透鏡)和特殊非球面透鏡等。（3）組合透鏡耦合單片透鏡的耦合方法雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于實(shí)際封裝，但是由于單片透鏡的限制，封裝容忍度很低，校準(zhǔn)較為困難，需要在耦合效率和調(diào)整容忍度之間尋找一個(gè)平衡。所以出現(xiàn)了利用以上幾種透鏡的組合方式來(lái)達(dá)到提高耦合效率和容忍度的方法。在這些結(jié)構(gòu)中，典型結(jié)構(gòu)是伽利略望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，由一個(gè)凹透鏡與一個(gè)凸透鏡組成，該結(jié)構(gòu)沒(méi)有共焦點(diǎn)，可以避免雙凸透鏡系統(tǒng)在共焦點(diǎn)處引起的激光能量過(guò)高。但是透鏡數(shù)量的增多，相應(yīng)的透鏡表面也隨之增多，激光束在每個(gè)透鏡表面都會(huì)有光損失，數(shù)個(gè)透鏡表面就可以把激光束的通光率降到很低，所以應(yīng)盡可能的減

28、少透鏡的數(shù)量，還需在透鏡表面鍍?cè)鐾改ひ蕴岣呦到y(tǒng)的通光率。除此之外，較為常用的組合方式還有：共焦雙透鏡組合，由一片紅寶石球透鏡和一片GRIN棒狀透鏡組成共焦結(jié)構(gòu)；準(zhǔn)直透鏡與折射率漸變橢圓透鏡組合，其中折射率漸變橢圓透鏡與光纖膠合在一起；球透鏡與ORIN透鏡組合，其中GRIN透鏡與光纖膠合在一起；半球面GRIN棒透鏡與GRIN棒透鏡組合，其中GRIN棒透鏡與光纖膠合在一起。這些方法提高了耦合的容忍度，耦合效率在40到80之間。（4）光纖微透鏡耦合減小透鏡焦距可以提高耦合效率，要得到最小的透鏡，最好的辦法就是直接把光纖端面做成透鏡，即光纖微透鏡。光纖微透鏡是指通過(guò)熔融、化學(xué)刻蝕、光刻、研磨等方法在光

29、纖端頭上加工出不同種類(lèi)的透鏡，用于激光光束的耦合。通過(guò)光纖微透鏡耦合的主要優(yōu)點(diǎn)在于；系統(tǒng)簡(jiǎn)單、封裝成本相對(duì)較低、耦合效率比較大。缺點(diǎn)在于，由于光纖的尺寸在Itm級(jí)，因此光纖微透鏡的加工相對(duì)困難。但隨著近年來(lái)微加工技術(shù)的不斷發(fā)展，光紆微透鏡的加工成本越來(lái)越低。利用光纖微透鏡耦合半導(dǎo)體激光光束是現(xiàn)在最普遍和很有效的方法，通常采用的方法主要有：光纖球微透鏡，通過(guò)對(duì)光纖端頭加熱，使端頭處光纖玻璃熔化，由于表面張力的作用，光纖端頭處自動(dòng)形成球狀透鏡；光纖端頭半圓弧微透鏡，通常可以采用熔融或者研磨的方法得到；光纖錐微透鏡，通過(guò)熱熔融拉錐的方法得到，耦合效率在40左右：光纖錐形球微透鏡水，是對(duì)光纖錐微透鏡的

30、改進(jìn)，通過(guò)增加一步化學(xué)腐蝕的方法，在錐形頭上形成球狀微透鏡，使耦合效率提高到55；光纖微球微透鏡，在光纖平端面的中心，芯徑處形成一個(gè)球狀微透鏡，耦臺(tái)效率在56左右；光纖楔形微透鏡，對(duì)光纖端面研磨，加工出楔角，校正半導(dǎo)體激光光束快軸發(fā)散角；光纖椎形圓弧微透鏡，對(duì)端頭的研磨，形成圓錐形，然后在進(jìn)行一次拋光加工在端頭形成微透鏡，最大耦合效率為78.3%；光纖楔形圓弧微透鏡，在光纖楔形微透鏡的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)對(duì)光纖端頭處的研磨拋光加工而成，更加適用于耦合大功率半導(dǎo)體激光器：光纖金字塔形半橢圓微透鏡，通過(guò)光纖研磨拋光制造出具有橢圓金字塔形端面的光纖微透鏡，通過(guò)電弧加熱，在端頭表面形成圓弧形，可以取得最高54的

31、實(shí)驗(yàn)耦合效率。光纖微透鏡的耦合效率在50到80之間，相對(duì)來(lái)說(shuō)，調(diào)整容忍度較小，一般在幾微米到幾十微米之間。3.2影響光纖耦合效率的因素影響光纖耦合效率因素主要包括激光器發(fā)射光束與光纖的不對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)致的損耗的影響，以及光纖本身的影響。（1）空間誤差的影響橫向誤差對(duì)耦合效率的影響激光器光束的光軸與光纖光軸的橫向偏移誤差d如圖3.1所示：圖3.1橫向偏移誤差其中，尺為光纖芯徑，珊為激光束腰半徑。激光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)整形后，雖然滿(mǎn)足了光纖耦合條件，但是由于激光光斑與光纖的纖芯軸線(xiàn)的偏移導(dǎo)致激光的部分功率并沒(méi)有耦合進(jìn)光纖中，而是輻射到光纖的外面，從而導(dǎo)致了耦合損失。設(shè)入射激光光束的入射角滿(mǎn)足光線(xiàn)在光纖中全反射的條

32、件，并且耦合進(jìn)光纖的功率與光斑和纖芯重疊部分的面積成正比。經(jīng)計(jì)算可得到橫向偏移誤差d與耦合效率的關(guān)系式如下： （3.1）其中，縱向誤差對(duì)耦合效率的影響縱向偏移誤差是指激光的束腰不在光纖的端面上，而是與光纖端面有一定的距離，這個(gè)距離就稱(chēng)為縱向誤差。當(dāng)激光與光纖耦合存在縱向誤差時(shí)，使得激光的端面面積大于光纖的接收面積，即破壞了光纖耦合的條件，使得dlaserdcore，從而產(chǎn)生了功率損耗。如圖3.2所示：圖3.2縱向偏移誤差其中，s為聚焦光斑與光纖的縱向偏移誤差，為聚焦光斑半徑。假設(shè)聚焦激光光斑半徑與光纖芯徑是相等的，耦合進(jìn)光纖的光功率與光纖和光斑的重疊面積成正比，則光纖耦合效率就等于光纖纖芯的面

33、積與激光光斑面積之比。計(jì)算可以得到激光光斑與光纖端面的縱向偏移s對(duì)耦合效率影響，表示為： （3.2）其中，c為光纖臨界入射角。角度誤差對(duì)耦合效率的影響當(dāng)激光束的光軸與光纖的中心軸并不在一條直線(xiàn)上，而是存在一個(gè)夾角時(shí)，稱(chēng)為激光與光纖之間具有角度誤差。如果角度誤差足夠大，使得聚焦激光束的發(fā)散角不再滿(mǎn)足耦合條件laser<2arcsin(NA)，這將使光纖損失掉置于最大接收立體角之外的光功率，如圖3.3所示：圖3.3角度偏移誤差對(duì)于階躍型光纖角度誤差引起的損耗可以用DMarcuse推導(dǎo)的公式來(lái)表示： （3.3）其中，為激光束的束腰半徑，n2為光纖的包層折射率。通過(guò)以上誤差對(duì)耦合效率影響的計(jì)算，

34、可以得到，橫向偏移誤差d對(duì)耦合效率的影響最大，縱向偏移誤差S次之，角度偏移誤差對(duì)耦合效率的影響最小。在半導(dǎo)體激光器與光纖耦合的過(guò)程中，不僅機(jī)械對(duì)準(zhǔn)造成的三維方向上的偏移會(huì)對(duì)耦合效率產(chǎn)生影響，光纖本身的特性也會(huì)對(duì)耦合效率產(chǎn)生影響。其中包括了菲涅爾反射以及光纖加工過(guò)程中產(chǎn)生的誤差對(duì)耦合效率的影響。（2）光纖本身特性對(duì)耦合效率的影響在半導(dǎo)體激光器與光纖耦合的過(guò)程中，不僅機(jī)械對(duì)準(zhǔn)造成的三維方向上的偏移會(huì)對(duì)耦合效率產(chǎn)生影響，光纖本身的特性也會(huì)對(duì)耦合效率產(chǎn)生影響。其中包括了菲涅爾反射以及光纖加工過(guò)程中產(chǎn)生的誤差對(duì)耦合效率的影響。菲涅爾反射影響由于激光束通過(guò)光纖前的光學(xué)系統(tǒng)整形之后，入射角較小，假設(shè)激光在光

35、纖是垂直于端面入射的，根據(jù)垂直入射的菲涅爾公式： （3.4） （3.5）那么，s波和p波的平均折射率為： （3.6）其中，n為光纖的折射率。假設(shè)為1.466，通過(guò)公式3.6計(jì)算，透過(guò)率為96%，約有4%的反射損耗。光纖加工誤差影響在光纖端面的制備過(guò)程中，要使細(xì)而長(zhǎng)的光纖中心軸和端面完全垂直是不可能的，總會(huì)存在著一定的偏差，因此討論光纖端面傾斜是對(duì)光纖耦合的影響是很有必要的。光線(xiàn)入射斜端面如圖3.4所示： 圖3.4光線(xiàn)入射端面光路示意圖是光纖端面傾斜時(shí)的法線(xiàn)與垂直端面法線(xiàn)之間的夾角，稱(chēng)為端面傾斜角和分別是光線(xiàn)在光纖端面的入射角和折射角，甲是光線(xiàn)在光纖的纖芯和包層界面上的全反射角。從圖中的幾何關(guān)系

36、可以看到： （3.7）對(duì)上式兩邊取余弦，得： （3.8）其中， （3.9） （3.10）設(shè)c為全反射臨界角，可得： （3.11） （3.12）將公式5678代入3.8，可得端面傾斜角和光纖接受角的關(guān)系： （3.13）由公式9可知當(dāng)n0、n1和n2一定時(shí)，要想使光纖的接受角增大，則必須減小傾角；反之，傾角越大，接受角越小。所以光纖端面傾斜后其數(shù)值孔徑將減小，也就是說(shuō)，光纖端面傾斜越大，耦合效果越差，耦合效率越低。3.3光纖耦合時(shí)需要注意的問(wèn)題如圖3.5所示，為了保證激光與光纖的高效耦合，應(yīng)滿(mǎn)足光纖的數(shù)值孔徑NA的要求。 圖3.5半導(dǎo)體光纖耦合條件激光與光纖的耦合應(yīng)滿(mǎn)足光纖的耦合條件，即成像到光纖

37、耦合端面上的激光光束的光斑直徑dlaser和發(fā)散全角laser應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足9-10dlaserdcore (3.14)laser2arcsin(NA) (3.15)此外，光纖耦合時(shí)還應(yīng)減小空間誤差，來(lái)提高耦合效率。第四章 大功率半導(dǎo)體激光器及列陣光纖耦合具體方案4.1大功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合技術(shù)在大功率半導(dǎo)體激光器與多模光纖耦合時(shí)，為獲得最佳的耦合效率，不僅應(yīng)考慮兩者的特征參量相互匹配的問(wèn)題，即多模光纖的纖芯直徑、數(shù)值孔徑與大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)光面積、發(fā)散角、輸出功率等匹配的問(wèn)題，還要考慮光纖端頭的處理、耦合系統(tǒng)中加各種透鏡等工藝問(wèn)題，很多情況下需要犧牲耦合效率來(lái)簡(jiǎn)化工藝，降低成本，以獲得最

38、佳性能價(jià)格比。大功率半導(dǎo)體激光器與光纖耦合通?？梢圆捎脙煞N方式，即直接耦合和利用光學(xué)系統(tǒng)整形和聚焦后再進(jìn)行耦合。4.1.1直接耦合1、平端光纖直接耦合11-12圖4.1 LD和平端光纖直接耦合平端光纖直接耦合指把端面已處理的平頭光纖直接對(duì)向半導(dǎo)體激光器的發(fā)光面。影響耦合效率的主要因素是光源的發(fā)光面積和光纖芯徑總面積的匹配以及光源發(fā)散角和光纖數(shù)值孔徑角的匹配。半導(dǎo)體激光器與光纖之間存在嚴(yán)重的模失配， 采用平端光纖直接耦合， 損耗將會(huì)很大， 耦合方式效率較低。圖4.1為平端光纖直接耦合示意圖。2、球形端面光纖直接耦合圖4.2 LD和球形端面光纖直接耦合球形端面光纖直接耦合13-14獲得球形光纖端面

39、的方法有很多種。一種比較簡(jiǎn)單的方案是在光纖端面上制造一個(gè)樹(shù)脂的半球透鏡;另一種更實(shí)用的方案是在光纖的端面燒制出特殊形狀的端球，燒制的熱源可以采用電弧、 氣體火焰或大功率激光器。光纖端面在這些熱源的作用下，熔化后再自然冷卻，在表面張力的作用下就會(huì)形各種弧度的圓球形端面， 圓球的曲率半徑與熱源的溫度和光纖與熱源的距離有關(guān)。采用球形光纖端面不僅可以提高半導(dǎo)體激光器與光纖的耦合效率， 而且利于實(shí)驗(yàn)光路調(diào)試。圖4.2是 LD和球形端面光纖直接耦合示意圖。3、錐形光纖直接耦合圖4.3 LD和錐形光纖直接耦合制作錐形光纖的方法有腐蝕、 磨削和加熱三種方法，前兩種方法將光纖包層制成錐體而保持芯徑不變，后一種方

40、法則利用電弧放電加熱或者利用熔融拉錐機(jī)加熱， 使纖芯與包層一起成比例地拉伸成一定長(zhǎng)度和錐度的錐體。這兩種方法得到的錐形光纖系統(tǒng)有著不同的特性， 利用加熱方法制造的錐形光纖其芯層也為錐形結(jié)構(gòu)， 能夠獲得更高的耦合效率，在增大錐角以獲得更大的耦合效率的同時(shí)， 最佳工作距離也隨之減小。4、錐端球面透鏡直接耦合圖4.4 LD和錐端球面光纖直接耦合在目前所有耦合方法中， 錐端球面微透鏡應(yīng)用最廣，其制作方法是先將光纖端部制成錐形，以減小端面半徑，然后，在錐端形成微透鏡。錐端球面透鏡耦和效率一般可達(dá)50% 60%，最大可達(dá) 80%左右。4.1.2利用光學(xué)系統(tǒng)對(duì)半導(dǎo)體激光與光纖進(jìn)行耦合由于直接耦合方法可控變量

41、的局限性，為進(jìn)一步提高耦合效率和耦合光束質(zhì)量，利用光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行耦合在大功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合中己占有越來(lái)越重要的地位。最常見(jiàn)的是利用自聚焦透鏡、圓柱形透鏡、雙曲面透鏡及一些組合透鏡組進(jìn)行耦合。下面對(duì)這幾種方法進(jìn)行介紹。1、利用自聚焦透鏡自聚焦透鏡是利用離子交換技術(shù)在圓柱狀玻璃基棒內(nèi)產(chǎn)生徑向的折射率分布而制成。它的聚光能力是依靠折射率的漸變分布來(lái)實(shí)現(xiàn)的，焦距由透鏡長(zhǎng)度決定。平端自聚焦透鏡球差較嚴(yán)重，會(huì)聚光斑較大，可把前端研磨成球面，補(bǔ)償了透鏡的球差，耦合損耗可降為ldB左右15。圖4.5自聚焦透鏡（損耗3db）的耦合示意圖2、利用圓柱形微透鏡圓柱形微透鏡對(duì)光束具有一定的會(huì)聚作用，能夠把半導(dǎo)體激

42、光器發(fā)出的光束進(jìn)行單方向會(huì)聚，同時(shí)，柱透鏡可以用光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而制作簡(jiǎn)單，成本低廉。盡管圓柱形微透鏡具有很大像差，但不影響它在光纖耦合中的應(yīng)用。圖4.6圓柱形微透鏡的耦合示意圖3、利用雙曲面透鏡雙曲面透鏡可以實(shí)現(xiàn)快軸和慢軸方向的同時(shí)準(zhǔn)直和聚焦。如圖4.7所示，A面對(duì)快軸方向?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)直和聚焦，B面對(duì)慢軸方向進(jìn)行準(zhǔn)直和聚焦16。雙曲面透鏡可以補(bǔ)償半導(dǎo)體激光器輸出光束較大的像散，因此耦合效率較高，光纖輸出光功率密度較大，但透鏡加工難度較高，增加了成本。圖4.7雙曲面微透鏡4、利用組合透鏡在許多光纖耦合系統(tǒng)中，常利用柱透鏡、球透鏡、自聚焦透鏡及錐形光纖等相互組合來(lái)提高耦合效率。利用組合透鏡可將耦合效率大

43、幅度提高，通?？蛇_(dá)到75%以上。但裝配時(shí)需要用專(zhuān)用精密夾具來(lái)精密調(diào)整，增加了工作難度，并且封裝階段要求較高。圖4.8組合透鏡耦合損耗利用組合透鏡可將耦合效率大幅度提高，通?？蛇_(dá)到75%以上。但裝配時(shí)需要用專(zhuān)用精密夾具來(lái)精密調(diào)整，增加了工作難度，并且封裝階段要求較高。4.2大功率半導(dǎo)體激光器列陣光纖耦合具體方案4.2.1半導(dǎo)體激光器條形巴（LD Bar）大功率二極管的光束質(zhì)量很差，在兩個(gè)方向上的發(fā)散性差異很大，如圖4.9(a)所示。對(duì)于一個(gè)數(shù)十瓦的條形巴，一組典型的參數(shù)為：巴由19個(gè)有源區(qū)組成，每個(gè)有源區(qū)寬度為150m，相鄰有源區(qū)之間的距離為500m。激光在快軸方向上的發(fā)散角為40°，

44、慢軸方向上的發(fā)散角為6°M平方因子為 （4.1）這樣差的光束質(zhì)量，不僅無(wú)法直接應(yīng)用，而且無(wú)法用簡(jiǎn)單的透鏡藕合法直接耦合到一根NA=0.22的光纖中。需要注意的是上述計(jì)算中包含了LD發(fā)光元之間的間隙對(duì)光束質(zhì)量的影響。如果剔除間隙的影響，則有： （4.2） (a)條形巴（Bar） (b)二維堆棧（Stack）圖4.9大功率半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖4.2.2二維半導(dǎo)體激光器堆棧（LD Stack）一般來(lái)說(shuō)，單Bar的連續(xù)功率局限在百瓦數(shù)量級(jí)。為了得到更大功率的激光輸出，就必須采用二維堆棧的組裝技術(shù)。半導(dǎo)體激光器二維堆棧的結(jié)構(gòu)如圖4.9(b)所示。多個(gè)條形巴平行放置，相鄰巴之間的間隔一般在1

45、.5至2.0毫米之間，主要是由于散熱的局限，無(wú)法更近。目前市場(chǎng)上的產(chǎn)品中條形巴的數(shù)目從2個(gè)到25個(gè)不等，連續(xù)輸出功率可以達(dá)到1000瓦。4.2.3半導(dǎo)體激光器條形Bar的耦合方案1、光纖束法早期的耦合采用的是光纖束的方法，即通過(guò)微光學(xué)系統(tǒng)將激光器列陣各發(fā)光單元相同數(shù)目的光纖列陣一一耦合，然后在光纖束出射端再進(jìn)行集束。這種方法成本低，應(yīng)用較廣。如圖4.10所示，圖4.10光纖列陣耦合示意圖在這種光纖列陣耦合方式中，光纖列陣需要精密排列，排列周期應(yīng)等于半導(dǎo)體激光器列陣的單元周期，因此需要加工特殊設(shè)計(jì)的精密V形槽或U形槽列陣，用以排列固定光纖列陣。大功率半導(dǎo)體激光器列陣各個(gè)發(fā)光單元發(fā)出的光束在快軸方

46、向進(jìn)行準(zhǔn)直和壓縮后，一對(duì)一的耦合到光纖列陣中，然后將光纖列陣用特殊的工藝進(jìn)行合束，并裝配到標(biāo)準(zhǔn)接頭中。這類(lèi)耦合技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是思路簡(jiǎn)單明了，剔除了LD發(fā)光元之間的間隙對(duì)整體光束質(zhì)量的影響，耦合效率高。缺點(diǎn)是光纖束的直徑、或?qū)拥墓饫w的芯徑比較粗，光纖輸出亮度的極限低。2、整形耦合法圖4.11半導(dǎo)體激光器巴的光纖耦合原理框圖這種方法是在近幾年才發(fā)展起來(lái)的技術(shù)。耦合思路如圖4.11所示。首先對(duì)半導(dǎo)體激光器bar的光束在快軸和慢軸方向上分別準(zhǔn)直。準(zhǔn)直后的光束為一線(xiàn)狀光束。光束整形器的作用是把這一線(xiàn)狀光束進(jìn)行切割成n條，并重新排列成一個(gè)預(yù)定的分布，譬如方形。經(jīng)過(guò)重排后的光束在聚焦性能上將得到極大地改善，M

47、2因子將縮小n倍，因此對(duì)光纖芯徑的要求也將減小n倍，可以用一個(gè)透鏡聚焦耦合到一根纖細(xì)的光纖中去。經(jīng)驗(yàn)表明，如果在慢軸準(zhǔn)直中使用透鏡陣列以減少畸變，M2因子還可以有效地減小。和光纖束法相比較，整形耦合法的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)更細(xì)光纖芯徑的耦合，因而實(shí)現(xiàn)更高的亮度。假設(shè)半導(dǎo)體激光器條形Bar在快軸和慢軸方向上M2因子分別為M2fast和M2slow，則理論上，線(xiàn)性光束可以切割的條數(shù)n最大可達(dá)到： (4.3)一般可取M2fst為1.5，M2slow為550，則nmax約為19。4.2.4光束整形1、單個(gè)條形巴的光束整形為了改善聚焦性能，往往把線(xiàn)形光束截成多截，重新排列成一定的形狀如矩形、方形、圓形、橢圓形

48、等，叫做光束的整形，如圖4.12所示。準(zhǔn)直之后的光束必須先經(jīng)過(guò)整形來(lái)改善聚焦性能。圖4.12光束整形示意圖（1）兩步重排整形法要把線(xiàn)形光束分割、排列成矩形分布，首先是把先行光束分裂成n份，在一個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)不等量的移動(dòng)，稱(chēng)為第一次重排；再在另一個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)不等量的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)第二次重排。如圖4.13中兩個(gè)箭頭所示的過(guò)程。圖4.13兩步重排原理示意圖典型的兩步重排整形法是梯形鏡法(step- mirror)。如圖4.13所示，線(xiàn)形光束先由數(shù)個(gè)微小鏡片分割并反射，實(shí)現(xiàn)第一次光束重排。重排后的光束再經(jīng)過(guò)第二次反射，實(shí)現(xiàn)第二次重排。第一次重排的結(jié)果是分割后的數(shù)節(jié)光束在一個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)不同量的平移：第二次重排

49、的結(jié)果是實(shí)現(xiàn)另一個(gè)方向上不同量的平移。最終得到如圖4.14中的整形后的輸出圖案。JOLD等大多數(shù)公司提供的產(chǎn)品里使用的都是梯形鏡。圖4.14梯形鏡整形原理另外，屬于兩次重排整形法的還有棱鏡組法(Prism-group)等。一般的耦合效率在70%左右。（2）一步重排整形法上述的兩步重排法里，一方面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于小型化和模塊化;另一方面，由于每一次反射都損失一些光能量，致使整形后的效率受到影響。在近期發(fā)展起來(lái)的一步重排整形法相比之下很有特色。（A）45°傾斜柱透鏡陣列旋轉(zhuǎn)整形法。（a）傾斜柱透鏡旋轉(zhuǎn)成像原理 （b）45°傾斜柱透鏡陣列實(shí)現(xiàn)光束整形圖4.15 45°柱

50、透鏡旋轉(zhuǎn)整形法由于傾斜的柱透鏡成象可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)功能，如圖4.15(a)中所示?？梢宰C明，如果柱透鏡的旋轉(zhuǎn)角為q，則象的旋轉(zhuǎn)的角度為2q。使用45°放置的柱透鏡，一個(gè)水平的線(xiàn)狀物AB所成的象為一個(gè)垂直的線(xiàn)狀A(yù)'B'。在此思路的啟示下，Limo公司設(shè)計(jì)制造了45°傾斜的柱透鏡陣列。如圖4.15(b)中所示。水平分布的條形半導(dǎo)體激光器Bar，在快軸準(zhǔn)直后，每個(gè)發(fā)光元對(duì)應(yīng)45°傾斜的柱透鏡陣列中的一個(gè)柱透鏡。在光經(jīng)過(guò)柱透鏡陣列之后，就會(huì)出現(xiàn)和發(fā)光元數(shù)目相等的、已經(jīng)實(shí)現(xiàn)重排了的矩形光分布。和梯度鏡法相比較而言，傾斜柱透鏡陣列旋轉(zhuǎn)整形法只用一步就實(shí)現(xiàn)的光束的整

51、形重排，但排列出的光不再是準(zhǔn)直光，而是在垂直方向上發(fā)散的一個(gè)矩形分布。在Limo的實(shí)際產(chǎn)品中，首先使用一個(gè)柱透鏡在垂直方向上進(jìn)行準(zhǔn)直。最后，使用兩個(gè)柱透鏡分別在水平和垂直方向上聚焦，實(shí)現(xiàn)光纖耦合。（3）折射整形法武漢凌云光電有限責(zé)任公司的產(chǎn)品采用另一種整形原理，即折射整形法。根據(jù)折射原理，光束以一定的角度入射到透明介質(zhì)(如玻璃等)中，方向?qū)l(fā)生改變。如果此介質(zhì)是平行介質(zhì)，光束穿過(guò)后傳播方向不變，但在入射面內(nèi)位置將發(fā)生移動(dòng)，如圖4.16(a)所示。不同的移動(dòng)量可以通過(guò)不同的入射角和介質(zhì)長(zhǎng)度來(lái)控制。采用多層透明介質(zhì)即可實(shí)現(xiàn)光束的重排。圖4.16(b)所示為一個(gè)整形模塊的剖面圖。利用折射整形法，不僅

52、可以排列出光纖耦合所需要的矩形分布，還可以排列出圓形、橢圓形等其它分布。同時(shí)，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、損耗小的優(yōu)點(diǎn)。 （a） (b)圖4.16折射光束整形原理圖2、二維堆棧的光束整形由于二維堆棧在快軸方向上有多條條形巴組成，典型的，如25條，因此，其在快軸上的光參積(發(fā)光尺寸和發(fā)散角之乘機(jī)，Beam-Parameter-Product，BPP，wQ，)至少要增大25倍。在圖4.17(a)中，首先每條巴分別用柱面透鏡進(jìn)行了快軸準(zhǔn)直，然后使用一個(gè)大面積柱面微透鏡列陣進(jìn)行慢軸準(zhǔn)直。為了消除巴之間的不發(fā)光面積的影響，使用了一個(gè)光束整形鏡(Beam shaper l)剔除每條準(zhǔn)之光之間的間隙一光束壓縮。處

53、理之后的光束形狀如圖4.17(b)所示，其快慢軸方向上的BPP分別為100mm·mrad和1200mm·mrad。(a)結(jié)構(gòu)示意圖 (b)為初步整形之后的光束形狀和快慢軸方向上的光參積BPP圖4.17使用一個(gè)特制的光束整形器剔除條形巴之間的無(wú)光區(qū)為了耦合這樣的光到光纖中去，首先我們必須調(diào)整兩個(gè)方向上的光參積為近似對(duì)稱(chēng)，調(diào)節(jié)技術(shù)依然為上面描述過(guò)的整形技術(shù)，如兩步整形法。這里我們使用棱鏡組法作為例子。從圖4.17(b)中我們知道，經(jīng)過(guò)光束壓縮后的光束的快慢軸方向上的理想的BPP分別是100mm·mrad和1200mm·mrad。但由于壓縮的效果的限制，快軸方

54、向上的BPP實(shí)際大致為130mm·mrad。若想使得快慢軸方向上對(duì)稱(chēng)，則由公式3可得n=3。及可以把光束在慢軸方向上切成3份然后在快軸方向重排。我們這里采用兩步法的棱鏡組法。(a)第一步 (b)第二步圖4.18棱鏡組法實(shí)現(xiàn)光束整形重排原理示意圖如圖4.18所示的，采用三塊直角棱鏡疊加在一起組成的重排模塊實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向上的重排。兩個(gè)這樣的模塊即可實(shí)現(xiàn)所需的光束整形。此時(shí)的快、慢軸上的BPP分別被調(diào)整為390mm·mrad和40Omm·mrad近似于對(duì)稱(chēng)。這樣的光經(jīng)過(guò)合適焦距的透鏡聚焦后，既可以耦合到光纖中，原理如圖4.19所示。圖4.19二維堆棧的光纖耦合示意圖需要指

55、出的是，不論是條形巴還是堆棧，都可以使用偏振合束或波長(zhǎng)合束的方法實(shí)現(xiàn)多個(gè)激光器巴/堆棧的單光纖耦合。圖4.20偏振合束的二維堆棧的光纖耦合示意圖圖4.20所示為一個(gè)偏振合束的大功率光纖耦合堆棧的方案。裝置有兩個(gè)光束整形的二維堆棧組成，其中一個(gè)堆棧的輸出經(jīng)過(guò)一個(gè)半波片后偏振方向發(fā)生900旋轉(zhuǎn)，使用偏振合束器對(duì)兩路堆棧輸出的光束進(jìn)行合束，再經(jīng)過(guò)光學(xué)聚焦系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光纖耦合。這個(gè)方案可以使輸出功率亮度提高近一倍。其輸出可以用于加工。由于其波長(zhǎng)的單一性，也可以用作固體激光器的泵浦源。圖4.21偏振合束和波長(zhǎng)合束結(jié)合的二維堆棧的光纖耦合示意圖圖4.21所示為一個(gè)結(jié)合偏振合束和波長(zhǎng)合束的大功率光纖耦合堆棧的方案。這里的關(guān)鍵點(diǎn)是波長(zhǎng)合束器的膜層，合束的通道數(shù)目受到膜層的限制。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是可以極大提高輸出功率和亮度，但輸出光為多個(gè)波長(zhǎng)的混合。