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        一種半導(dǎo)體激光器多模光纖耦合技術(shù)

        2019-10-19 15:26:30金阿立周斌喬顯金周樹陽楊發(fā)倫
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2019年12期

        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(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)散角等問題,需要利用光纖耦合技術(shù)對激光光束進(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,對半導(dǎo)體激光器與多模光纖耦合問題進(jìn)行討論,給出可行的耦合工藝方法,實現(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:TN248;TN25? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號: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(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,通過壓縮光束發(fā)散角或光束束腰半徑實現(xiàn)光束整形,以改善遠(yuǎn)場對稱性和光斑形狀,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,國外多模光纖耦合可從芯徑100μm得到30W以上功率。國內(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),對半導(dǎo)體激光器輸出光斑進(jìn)行耦合處理,以實現(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]。

        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(jié)平面的光束束腰半徑,ω0v為垂直于結(jié)平面上光束束腰半徑。設(shè)在近軸條件下,耦合系統(tǒng)以ABCD傳輸矩陣表示,則經(jīng)過光纖耦合系統(tǒng)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(shù);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(dāng)其歸一化頻率V大于0.75時,導(dǎo)波本征模為:

        式中,r為極坐標(biāo),。

        若已知單模光纖的ΨF和具體形式,可依據(jù)下式得到單模光纖耦合效率:

        式中,Rj為系統(tǒng)第j個光學(xué)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(yuǎn)大于導(dǎo)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(jīng)耦合系統(tǒng)后,若進(jìn)入光纖芯內(nèi)并形成穩(wěn)定傳輸模式的光線數(shù)量為Ni(入射角小于多模光纖數(shù)值孔徑),則耦合效率為:

        2? 半導(dǎo)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(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(dǎo)體窗口后約2mm處,垂直方向上點光源緊貼于半導(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。

        對于圓柱或球透鏡,焦距為:

        式中,n為透鏡折射率,r為光學(xué)面曲率半徑。

        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(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(tǒng)更為簡單實用,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,對上述四種錐角尺寸光纖頭進(jìn)行了試驗,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(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。在實際應(yīng)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(diào)整架對裸露光纖進(jìn)行調(diào)整,實現(xiàn)光束預(yù)準(zhǔn)直;最后,粘貼到熱沉上。

        通過預(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、測試及老化實驗分析

        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)正常運行,從而避免因盒體過熱燒壞系統(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(shè)計上,應(yīng)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(shè)計的盒體樣本的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

        光纖耦合系統(tǒng)完成封裝后,應(yīng)進(jìn)行測試和老化試驗。實驗結(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)測算可實現(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(zhì)量一般。

        4? 結(jié)語

        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、測試等方面對半導(dǎo)體激光器與多模光纖耦合問題進(jìn)行了研究。單管半導(dǎo)體激光器通過單根光纖耦合后可得到圓光斑,再通過光學(xué)系統(tǒng)可以實現(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)

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

        [2] 黃德修.半導(dǎo)體光電子學(xué)[M].西安:電子科技大學(xué)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(xué)報,2003,32(2):218-220.

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

        [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.

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