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大功率半导体激光器光纤耦合技术详解

导读: 近年来,高功率光纤激光器因其优良的性能日益受到人们的重视和青睐,被广泛地应用于工业加工、空间光通信、医疗和军事等各个方面。

  1. 前言

  近年来,高功率光纤激光器因其优良的性能日益受到人们的重视和青睐,被广泛地应用于工业加工、空间光通信、医疗和军事等各个方面,其迅速发展在很大程度上得益于大功率高亮度半导体激光器技术的进步,大功率半导体激光光纤耦合技术一直是高功率光纤激光器技术的一项关键核心技术。相反地,半导体激光器泵浦的高功率光纤激光器(DPFL)的发展也带动了大功率半导体激光器技术,尤其是大功率半导体激光光纤耦合技术的进步。

  由于单管半导体激光器(LD)的输出功率受限于数瓦量级,远不能满足高功率光纤激光器泵浦源的要求,要获得更大输出功率须采用具有多个发光单元的激光二极管阵列(LD Array)。按照结构形式的不同,激光二极管阵列分为线阵列(LD Bar)和面阵列(LD Stack),分别如图1(a)和(b)所示,其中LD Bar的输出功率一般在数十瓦至百瓦量级,而LD Stack的输出功率一般在数百瓦乃至上千瓦。无论是单管LD还是LD Array,由其固有结构特点决定了半导体激光器具有光束发散角较大,输出光束光斑不对称,亮度不高等问题,给作为高功率光纤激光器泵浦源的实际应用带来很大困难和不便。一个较好的解决方法是将半导体激光耦合进光纤输出,这样既可以利用光纤的柔性传输,增加使用的灵活性,又可以从根本上改善半导体激光器的输出光束质量。

(a)LD Bar 和(b)LD Stack

图1 (a)LD Bar 和(b)LD Stack

  大功率半导体激光器阵列光纤耦合技术作为一项高新技术,具有很高的技术含量,涉及半导体材料、纤维光学技术、微光学技术、微精细加工技术和耦合封装技术等关键单元技术。目前为止,大功率半导体激光器阵列光纤耦合技术主要采用两条技术路线:光纤束耦合法和微光学系统耦合法。下面将主要以LD Bar光纤耦合技术为例,就该两种方法进行详细阐述。

  2. 大功率半导体激光器阵列光纤耦合技术

  2.1光纤束耦合法

  光纤束耦合法(又称光纤阵列耦合法)是早期使用的一种光纤耦合技术,具有结构简单明了、耦合效率高、各发光元的间隙不影响整体光束质量和成本低等优点。该方法通过微光学系统将LD Bar各个发光单元发出的光束在快轴方向进行准直和压缩后,与相同数目的光纤阵列一一对应耦合,然后通过光纤合束在光纤束出射端进行集束输出,示意图如图2所示。

光纤束耦合法示意图

图2 光纤束耦合法示意图

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