趙霞焱

摘 要：近年來，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和科技的進步，光電器件與材料相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)不斷取得新進展，性能得到明顯強化，在各大領(lǐng)域得到廣泛應用。為進一步提高半導體激光功率，可以采用激光器單管合束及光纖耦合技術(shù)?；诖?，分析研究綠光半導體激光器單管合束及光纖耦合技術(shù)，對提高儀器總功率以及將其應用于更多領(lǐng)域有重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：綠光半導體激光器;單管合束;光纖耦合

中圖分類號：TN248 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2022）04--03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.04.076

利用合束技術(shù)可以使多個半導體激光器在光纖中進行耦合，由此形成半導體激光器的光學器件，保證激光的輸出功率，提高激光束的質(zhì)量。目前，國內(nèi)外已廣泛使用多種紅外波段的半導體激光器，廣泛用于彩色顯示、激光印刷、高密度光盤存儲等領(lǐng)域，但目前對于可見光波段激光耦合模塊尤其是綠光波段的研究還很少，因此，對綠光高功率半導體激光器光纖耦合模塊進行深入研究，是當前光電器件與材料相關(guān)領(lǐng)域研發(fā)重點之一。

1 半導體激光器光纖耦合模塊研究

半導體激光器技術(shù)已經(jīng)相對成熟，由于其具有光束不均勻性、單元功率低等特點，在一定程度上限制其應用領(lǐng)域。為保證半導體激光器的功率輸出，需要對激光器進行多層疊加，這會一定程度上限制光束質(zhì)量。隨著半導體耦合技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，通過使用半導體激光器進行合束，可以有效提升光束的質(zhì)量，實現(xiàn)激光遠距離柔性傳輸。

最早的光纖是20世紀50年代研制出來的，后來被人們逐漸推廣使用[1]。在20世紀70年代，就有國外公司利用化學氣相沉積法得到了損耗較低的光纖，隨著半導體激光器的迅速發(fā)展和光纖耦合技術(shù)的發(fā)展，人們對不同類型的半導體激光器進行了大量的研究，并取得了大量的成果。

2 半導體激光器的工作原理

2.1 工作原理

半導體激光器的工作原理和其他激光器一樣，都是借助半導體中的電子躍遷而產(chǎn)生的光子受激，這是激光輻射的基礎(chǔ)原理。

在實際應用中，激光器利用半導體作為電流源，將電流注入到材料中，會引起電子的躍遷，并在半導體中形成兩個晶體的天然解理表面，即法布里—共振腔。光子受到激光輻射作用后，會在腔體中產(chǎn)生振動，最后達到臨界點，從而達到激光輸出的目的。為了適應各種應用的需要，半導體激光器的種類繁多，其中最基礎(chǔ)的是雙異質(zhì)激光器和量子阱激光器。與此同時，在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應用基礎(chǔ)上選擇性能更佳的激光器，可以滿足更高層次的應用需求。

半導體激光器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 表面發(fā)射激光器的種類及結(jié)構(gòu)

表面發(fā)射半導體激光器有很多種，其中最常用的就是垂直腔面發(fā)射激光。分布式拉格發(fā)射機主要由交替高折射率介質(zhì)材料與低折射率介質(zhì)材料兩種材料交替組成的周期結(jié)構(gòu)，它是由多個在 DBR之間的有源區(qū)構(gòu)成的。通過在反射層上增加 DBR光反饋，可以使基板的輸出部分從頂面直接輸出。

表面發(fā)射激光器價格相對便宜，集成化程度高，電流閾值低，圓形輸出光斑容易耦合，在通信領(lǐng)域中的應用相對較多。與邊發(fā)射激光器相比，表面發(fā)射激光器由于采用了圓對稱結(jié)構(gòu)，導致橫向模式不夠穩(wěn)定，極低的光子單程會在一定程度上限制輸出功率，這些都在一定程度上影響了該技術(shù)的發(fā)展。

表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3 半導體激光束的光束特性

半導體光場的分布特征主要有近場和遠場兩種。在光束出射面距離比較近的情況下，其呈現(xiàn)出波長數(shù)量級的光束特性，被稱為近場分布特性。電磁波傳播到遠處之后的場（分布）則被稱為遠場分布特性。

目前所用的大功率半導體激光器均為量子阱。半導體激光器的源層結(jié)構(gòu)很細，可以在一定程度上改善光束模式，并將閾值電流密度降低到合理的區(qū)間范圍。由于半導體源層本身的性質(zhì)，其最直觀的特征是：光束在慢軸方向上有變化，快軸具有更大的發(fā)射角，通常集中在32°，慢軸的發(fā)射角相對較小，通常集中在8°，直接導致光束光斑呈現(xiàn)為橢圓形狀。

在實際應用中，半導體激光器的遠場分布特點是其主要的實現(xiàn)方式。一般來說，由于快軸方向的光束質(zhì)量與衍射極限相近，所以在理論上，它的模型是以高斯光束為標準的。慢軸方向的發(fā)射角小且光束大，理論模型也定義為高斯光束，在描述光場分布方面一般解釋為厄米—高斯光束模式[2]。

3 半導體激光器非相干合束技術(shù)

目前，半導體激光器的合束技術(shù)方法有兩種：相干合束和非相干合束。半導體激光器利用光束準直技術(shù)和聚焦耦合技術(shù)，使多個光束單元的耦合成為可能。

在相干合束技術(shù)的應用中，采用了相位控制方法，使激光陣列各發(fā)光元件產(chǎn)生同一波長的光束，從而達到相干合束。相干合束技術(shù)比較煩瑣，對環(huán)境溫度較為敏感，在各種大功率激光器應用推廣難度相對較大。一般來說，非相干合束是采用空間合束、波長合束、偏振合束三種方式，在大功率激光器合束中都會使用這些技術(shù)，可以用合束方法提高光束的功率而使光束質(zhì)量保持不變。與相干的合束比較，非相干合束的參數(shù)設(shè)置相對較低，操作更加簡單，應用范圍非常廣泛。

在光譜合束技術(shù)和相干合束中，使用了激光陣列合束技術(shù)。在實際使用中，許多半導體激光器都是利用光束的遠場特性來完成的。該方法的理論模型是以基膜高斯光束為基礎(chǔ)，在快軸方向上的光束質(zhì)量與衍射極限相符合。在慢軸上，它的入射角很小，但是它的光束很大，所以它的理論模型是定義為高斯光束。

一般來說，半導體激光束的光場分布可以利用厄米—高斯光束模型來描述。因為半導體激光器的波導結(jié)構(gòu)較為復雜，其快慢軸除了光點尺寸和發(fā)散角度不同外，還出現(xiàn)了較為嚴重的像散現(xiàn)象。由于像散的影響，在遠場下，半導體激光光束的快慢軸束腰分布不一致，使快慢軸的光束同心度很難得到保證。在實際的光學設(shè)計中，可以采用單透鏡，使快慢軸束腰位置一致。所以，在進行光學系統(tǒng)設(shè)計時，應采用多個鏡頭的組合來減小光像差，以提高耦合效率和輸出功率。

半導體激光器光束遠場特性如圖3所示。

4 光纖耦合理論

4.1 光纖耦合器

光纖耦合器是在光纖之間能靈活拆卸（活動）的器件，它將光纖兩端緊緊地貼合在一起，以最大程度地將發(fā)出的光能與接收纖維相連，并接入光纖鏈路，由此減少了對系統(tǒng)的影響。波導光纖耦合器通常采用Y形分支結(jié)構(gòu)，其輸出的光信號可以用Y形支路進行等分。由于耦合器支路的開角越大，漏入薄層的光就越多，過剩損耗也就越大，因此，波導耦合器的開角通常在30°以下，長度也不能過短。

4.2 光導纖維

光導纖維也叫光纖，它是一種以玻璃和塑料為材料的纖維，傳輸主要依靠內(nèi)部的全反射原理。光導纖維的核心是一種高折射率的玻璃，它的表面是一層薄的、低折射率的玻璃或塑料。

根據(jù)光纖折射率變化，可以分為漸變光纖和突變光纖。根據(jù)傳輸模式的不同，可以分為單模光纖和多模光纖。單模光纖和多模光纖的光纖傳播模式差別較大，單模光纖的光芯直徑比多模光纖要小，因此在光纖激光器中得到了廣泛的應用。由于高功率半導體激光器的光束品質(zhì)較差，因此在光斑較大時，通常采用多模式光纖。

4.3 光纖的芯徑和數(shù)值孔徑

在光纖耦合試驗中，光纖芯徑和數(shù)值孔徑一直是研究的重點。為了使光纖能達到耦合輸出，光束通過聚焦后的最小光斑應當比光纖的中心直徑要小。不同的數(shù)值孔徑光纖，其可接受的光束角度也不盡相同，要保證光束耦合進入光纖的入射角比光纖的接收角要小，可以有效地實現(xiàn)光束耦合的輸出。

4.4 幾何光學耦合理論與波動光學耦合理論

從本質(zhì)上講，幾何光學耦合是一種典型的光學理論。為了達到光束耦合的目的，必須使光束的反射角達到完全反射的相關(guān)要求，而光纖的芯徑必須比光斑的最大直徑大。光斑的發(fā)散角度要小于光纖的最大接收角度，為使光斑和光纖的參量相匹配，光斑的參量乘積BPP要小于光纖的參量乘積。

波光耦合論是研究光束傳輸?shù)哪Ｊ狡ヅ鋯栴}，一般應用于單模光纖的傳輸。波光耦合和幾何光耦合均有其自身的特性，若將波動光學傳輸理論應用于單模光纖，從理論上來看會具有較高的計算難度，所以一般是采用光學理論展開研究。在光纖耦合實驗中，為提高耦合輸出效率，必須盡可能地使激光光束與光纖模場保持一致[3]。

5 綠光單管半導體激光器光纖耦合模塊光機設(shè)計

隨著半導體激光器技術(shù)的發(fā)展，單管激光器的功率不斷提高，采用光纖耦合技術(shù)來提高激光器的輸出功率已成為目前普遍采用的技術(shù)手段。

為了光纖耦合輸出達到高功率標準，必須保證半導體激光器的數(shù)目合理，使其輸出光纖的直徑不斷增大，直至數(shù)倍，但這樣可能會降低半導體激光輸出光束質(zhì)量。為了使半導體激光器的光耦合效率得到一定的改善，可以采用直接使用綠光單管作為光源，采用Zimax的光學軟件直接設(shè)計實現(xiàn)了綠光半導體激光纖耦合模塊。利用Solidworks的機械設(shè)計軟件，根據(jù)已有的技術(shù)條件，對光纖耦合組件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

綠光單管的光纖耦合半導體激光器模塊光機設(shè)計采用Zemax光學設(shè)計軟件，光源直接用了40個輸出功率為1瓦的綠光TO單管，以快慢軸準直、光束分隔重排、空間合束、偏振合束以及光纖耦合技術(shù)為技術(shù)基礎(chǔ)，調(diào)整為200微米的光束耦合進入直徑、0.22孔徑的光纖，理論模擬具備36.5瓦的輸出功率，提高耦合效率到98%。利用Zemax光學設(shè)計軟件實現(xiàn)了對光纖耦合組件的跟蹤，獲得了聚焦點的光斑。

6 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和科學技術(shù)的飛速進步，在光電器件及材料方面的研究工作也在不斷地取得新的發(fā)展。為了解決傳統(tǒng)激光技術(shù)在實際應用中所遇到的問題，需要加大綠光半導體激光器的單管合束和光纖耦合技術(shù)研究，以提高其整體功率，推動技術(shù)發(fā)展并廣泛應用于更多領(lǐng)域。

參考文獻

[1] 劉力寧，高欣，張曉磊，等.高亮度大功率半導體激光器光纖耦合模塊[J].發(fā)光學報，2018（2）：196-201.

[2] 張金勝，劉曉莉，崔錦江，等.高峰值功率808nm垂直腔面發(fā)射激光器列陣[J].發(fā)光學報，2014（9）：1098-1103.

[3] 胡黎明，朱洪波，王立軍.高亮度半導體激光器泵浦光纖耦合模塊[J].紅外與激光工程，2013（2）：361-365.