一种半导体激光器多模光纤耦合技术

材料，如直径为2mm的石英球透镜，其焦距仅为1.1mm。

利用透镜整形，针对不同光纤芯径的激光照明实验可得如图3所示光斑圖样。其中，400μm光纤芯径经透镜整形，照明光斑十分不均匀，100μm光纤芯径的照明光斑亮暗对比过于明显，相对而言200μm光纤芯径的效果最好。

为了耦合系统更为简单实用，我们采用一种光纤头特殊处理技术，即将平面光纤研磨成特殊形状，从而省略了自聚焦透镜，如图4所示。

我们以5W单管半导体激光器为例，对上述四种锥角尺寸光纤头进行了试验，其结果如表1所示。

由表1可知，不同光纤芯径可选择不同耦合技术，如对于400μm光纤芯径，采用平头直接耦合方法，可得到94%的耦合效率，且生产成本基数低;对于100μm光纤芯径，选择锥球面直接耦合或锥球面+圆柱透镜耦合，都可较平头直接耦合或平头+圆柱透镜耦合提高1倍耦合效率，不过成本增加了3～4成。本文将采用平头+圆柱透镜工艺方法。

2.2 平头光纤+圆柱透镜工艺

平头光纤+圆柱透镜的耦合工艺，主要是采用柱透镜进行光束快轴预准直，如图5所示，为柱透镜光纤耦合示意图。在实际应用中，通常采用一根100μm光纤代替圆柱透镜。其工艺过程大体分为三步。首先，将光纤的涂覆层剥离;其次，利用六维调整架对裸露光纤进行调整，实现光束预准直;最后，粘贴到热沉上。

通过预准直，激光光束质量可得到显著提升，快轴发散角压缩到3°～5°。预准直后，利用光纤夹具将制备好的光纤一同安装到六维调整架上。

3  封装、测试及老化实验分析

封装，是利用激光焊接、注胶、机械定位等方法，将半导体激光器与光纤安装到铜制盒体内，以便使用。盒体设计主要基于两种考虑，散热性和空间结构。良好的散热可保证系统正常运行，从而避免因盒体过热烧坏系统，散热上应考虑激光管、光纤与热沉之间的散热性，一级热沉与二级热沉之间的散热性，以及二级热沉与盒体之间的散热性;盒体空间设计上，应合理安排各元器件的相对位置，以便节省空间，节约成本。图6为自行设计的盒体样本的内部结构。

光纤耦合系统完成封装后，应进行测试和老化试验。实验结果分别如图7、图8所示。其中图7为光纤耦合后的输出光斑图样，与图3给出的三组光斑图样相比，该输出光斑具有较好均匀化。图8为光纤耦合前后的P-I特性曲线。

由P-I特性曲线可知，半导体激光器通过准直后，其准直效率为97%，耦合进入光纤的耦合效率达到87%以上。对于常用于红外激光照明的单管半导体激光器，若其功率为1.5W～2W，经测算可实现150～300m距離上的照明。

上述单管半导体激光器利用单根光纤耦合，可得到中等输出功率（1.5～2W）的激光照明，实现中等距离的夜间监视。若需大输出功率激光照明，可采用多管叠加耦合的方法，以满足数公里的远距离需求，例如3个叠加可得到5～6W输出功率，19个叠加可得到30～40W输出功率。但这种叠加存在的主要问题是体积较大，功率密度较低，得到的光束质量一般。

4  结语

为满足激光夜视监控系统的照明需求，本文利用光纤耦合原理实现了激光器的整形处理。在给出光纤耦合原理基础上，从原理、工艺、测试等方面对半导体激光器与多模光纤耦合问题进行了研究。单管半导体激光器通过单根光纤耦合后可得到圆光斑，再通过光学系统可以实现发散角压缩，获得中等输出功率和中等距离照明。针对大功率输出和远距离照明，考虑采用列阵耦合得到多纤芯捆绑的大芯径光纤输出激光器，将另文讨论。

参考文献

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