大功率半导体激光器光纤耦合技术调研报告(2)

目前，国内外有文献报导的光束整形方法主要有双平面反射镜法、阶梯反射镜法、多棱镜阵列法、棱镜组折反射法、微片棱镜堆整形法和二维透射式闪耀光栅阵列法等，但是这些整形方法或由于器件加工困难，或由于装调复杂等问题导致耦合效率不高，还处于实验室研究阶段，离实用化和商业化还有一定距离。作为技术成熟度比较高的典型代表，德国LIMO公司的光纤耦合输出型大功率半导体激光器采用设计独特的光束整形系统可以实现快慢轴光参数积的均衡，并将准直后的非对称半导体激光光束无损耗地变换成对称的圆形光束，以便于光纤耦合。图(7)所示即为该光束整形变换微光学系统的结构图。

Fig.7 光束整形微光学系统结构图

该光束整形微光学系统包括三部分，分别是光参数积均衡器、二次准直柱透镜和聚焦柱透镜对，依次如图8(a)和(b)所示。

Fig.8(a) 光参数积均衡器（包含准直柱透镜） (b) 准直和聚焦柱透镜组

光参数积均衡器由倾斜的柱透镜阵列组成，LD Bar输出光经快慢轴准直后，每个发光单元一一对应通过光参数积均衡器中的柱透镜，形成与发光单元数目相等且呈矩形分布的光斑，实现了快轴和慢轴方向光参数积的均衡。但是经过光参数积后的光束不再是准直光，而是在垂直方向上发散的矩形分布，需要利用微柱透镜进行二次准直，最后用一对柱透镜分别在快轴和慢轴方向上进行聚焦，形成对称的便于光纤耦合的圆形光斑。

为了能达到最优的耦合效果，设计制造这种应用于大功率LD Bar光纤耦合的光束整形变换微光学系统，所依据的参数主要有：发光单元尺寸、发光单元周期、发光单元数目、快慢轴的发散角、LD Bar的微笑效应(smile-effect)和耦合光

纤的纤芯直径与数值孔径等。特别需要说明的是，LIMO通过将快慢轴准直微柱透镜、光束整形变换系统和聚焦微柱透镜进行片上集成，构成一个整体，即所谓的HOC (Hybrid Optical Chip)。利用这种HOC，不仅可以对LD Bar输出光进行光纤耦合，也可以对单管LD和LD Stack输出光进行光纤耦合。图9所示为利用HOC对不同类型的半导体激光器进行光束整形变换聚焦的示意图。

Fig.9 HOC光束整形变换聚焦示意图

利用微光学系统整形耦合法进行大功率半导体激光器的光纤耦合，可以将大功率半导体激光耦合进芯径相对较小的单根光纤，容易实现高亮度和高功率密度的激光输出，非常适合于泵浦高功率光纤激光器。但是，由于对所用微透镜及其阵列的光学质量要求很高，制作和加工难度较大，导致成本较高。

3．大功率半导体激光器光纤耦合产品概况

目前，在商业化的大功率半导体激光器光纤耦合产品市场上，一直由国外的一些大公司占据着优势地位，如美国的Coherent、SDL、Spectra-Pysics公司以及德国的LIMO公司等。与国外同类产品相比，国内大功率半导体激光光纤耦合产品的性能参数和技术指标还有较大差距，所以尚无大批量应用。这主要是由于大功率半导体激光器光纤耦合技术涉及的基础单元技术层面较广，如半导体材料的生长和加工工艺，微光学透镜及其阵列的设计与制造技术和工艺等，而国内在这些方面与国外相比还有较大的技术差距。因此，要想在高端的激光光纤耦合技术领域脱颖而出，首先必须缩小各个基础单元技术方面的差距。

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