曾水林

摘 要：本文基于醫(yī)用半導體激光設(shè)備與多模光纖耦合系統(tǒng)，分析了造成了多模光纖出射光斑的不均勻原因。通過軟件仿真和實際實驗，研究解決了多模光纖出射光斑的不均勻性問題。這主要包括在多模光纖上添加使光纖傳播路徑發(fā)生改變的結(jié)構(gòu)件及對光纖末端進行處理。與未添加勻化結(jié)構(gòu)件和未進行端面處理的多模光纖光斑進行對比，充分證明加入結(jié)構(gòu)件和對光纖端面的處理并不會造成多模光纖激光功率傳輸?shù)奶蟾淖儭?/p>

關(guān)鍵詞：半導體激光；多模光纖；光斑勻化

0 前言

和其他激光器相比，單芯片半導體激光器最大的缺點就是光束質(zhì)量差。由于單芯片半導體激光器固有結(jié)構(gòu)的特點，大功率單芯片半導體激光器的光束參量積在快慢軸方向相差較大，輸出光能量不集中，遠場光強分布不均勻，很難用普通的光學系統(tǒng)得到高亮度的大功率激光輸出，嚴重妨礙了大功率單芯片半導體激光器的應(yīng)用。

市面上普通的單個半導體激光二極管，其輸出的激光功率一般在幾百毫瓦到幾瓦之間，對于一般的應(yīng)用領(lǐng)域如，光指示、光催化或光激發(fā)已經(jīng)足夠，然而，在實際應(yīng)用中，未經(jīng)勻化的半導體激光照射裝置其輸出的光斑中心或邊緣有暗區(qū)，光斑不均勻，容易造成被照射組織的光敏激發(fā)不均勻，影響療效。

1 光斑整形

1.1 光斑壓縮

光纖是一種能夠傳輸光頻電磁波的介質(zhì)波導，其由纖芯、包層和涂覆層組成。當光束滿足一定入射條件時，光波就能沿著纖芯向前傳播。由于纖芯和包層存在著折射率差，符合入射角度的光束會在纖芯和包層之間發(fā)生全反射，經(jīng)過多次的全反射傳播路徑后，光束到達指定的照射位置。在激光照射醫(yī)療領(lǐng)域使用最多的是多模大芯徑石英光纖，其衰減量相較于長距離傳輸?shù)耐ㄐ殴饫w來說會大很多，但用于醫(yī)療的光纖長度在幾米之內(nèi)，其對衰減量不太敏感。

半導體激光由于其發(fā)光面的特殊性，在未經(jīng)光束整形前，其出射的光斑為一條直線（如圖1所示）。

垂直于PN結(jié)的方向稱為快軸，快軸的發(fā)散角可達到30～40度左右，而平行于PN結(jié)的方向稱為慢軸，慢軸的發(fā)散角一般是4～8度之間。當要將半導體激光束耦合進光纖中時，由于光纖的纖芯直徑遠小于未經(jīng)整形的半導體激光光斑尺寸，這就需要在半導體激光二極管發(fā)光面前端放置柱透鏡壓縮快軸方向的光束，使快軸或慢軸方向上的光束聚合成一個較小的且能進入光纖端面的光斑。在距離半導體激光二極管發(fā)光面兩米遠處的光斑形狀，如圖2所示。

1.2 光斑整圓

激光光束的整圓可利用橢圓微透鏡或二元光學元件進行，使用光纖對激光光束進行整圓的結(jié)構(gòu)簡單、耦合效率高，適合制作小體積、大功率的照明光源。用于光束整圓的光纖為階躍折射率多模光纖。光纖對激光光束的整圓，可以用纖維光學的射線理論來介紹。

經(jīng)過與多模光纖耦合后，半導體激光光束在多模光纖末端出射的光斑形狀會發(fā)生改變。利用ZEMAX軟件進行結(jié)構(gòu)模擬，得到的光斑如圖3（a）和圖3（b）所示，圖中很明顯可以看到光能量的分布不均勻，中間光強大于邊緣光強。

2 光斑勻化研究

2.1 現(xiàn)有的勻化技術(shù)

半導體激光發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)經(jīng)封裝固定，要實現(xiàn)光斑勻化，需對光束經(jīng)過的路徑進行二次光路結(jié)構(gòu)設(shè)計。從已經(jīng)公開發(fā)表的文獻來看，多數(shù)的光斑勻化的二次光路結(jié)構(gòu)主要有四類：一類是在光源與光纖之間加一聚光器和勻化鏡片，如微透鏡片、菲涅爾鏡片或復雜非球面鏡片等結(jié)構(gòu)；第二類是改變光波導的形狀結(jié)構(gòu)，使得激光各模式分布改變，如將傳統(tǒng)的圓柱形光纖改成三角形或多邊形的空心波導，以此改變光束行走的路徑，達到勻化的目的；第三類是在多模光纖的出光末端加裝勻化鏡片之類的勻化結(jié)構(gòu)，如較為簡單的加裝一塊毛玻璃，使光束發(fā)生強烈的散射，達到勻化光斑的目的；第四類是包含了前面三類的綜合勻化方式。

2.2 利用軟件對本文所探討的結(jié)構(gòu)進行仿真

前文所述的各種勻化方法皆會使激光器裝置及應(yīng)用部分的結(jié)構(gòu)變大、變復雜，這對于在實際的醫(yī)療照射領(lǐng)域中是不太合適的，越復雜的結(jié)構(gòu)會帶來更多的風險，當各種風險累積到一起時則有可能會超過受益，醫(yī)用激光設(shè)備的安全性將得不到保障。經(jīng)過模擬和實驗發(fā)現(xiàn)，通過彎曲多模光纖的方式能夠使多模光纖末端出射的光斑的光強分布更均勻。使多模光纖發(fā)生固定彎曲的結(jié)構(gòu)件可以采用金屬擾性套管或定型的其他材質(zhì)構(gòu)成的同樣功能的套管。

（1）擾性套管

擾性套管可改變光束在多模光纖中的模式分布。在光纖傳輸體外部加裝擾性套管，擾性套管產(chǎn)生的物理作用力使光纖在較短長度內(nèi)實現(xiàn)彎曲。擾性套管可通過彎曲金屬空心管得到，也可以基于設(shè)計得到固定的結(jié)構(gòu)后直接套結(jié)于多模光纖之上。其結(jié)構(gòu)可如圖4所示。

（2）軟件模擬擾性套管對光斑勻化的作用

利用ZEMAX軟件的非序列模式建立半導體激光二極管與多模光纖耦合的模型。加裝擾性套管的半導體激光與多模光纖耦合的結(jié)構(gòu)及光斑圖如下所示：

在圖5中，半導體激光光束經(jīng)柱透鏡的壓縮之后進入到平直放置的光纖中，在光纖的某一部位加裝彎曲的擾性管，光束經(jīng)過光纖末端后照射于光屏上，在光屏上顯示的光斑形狀如下：

從圖6中可以清楚地看到，與未加裝擾性套管之前的光斑相比，其光斑的均勻性有明顯的改善。這充分證明加裝擾性套管可以改善多模光纖出射光斑的均勻性，達到對光斑的勻化作用。不過由于軟件仿真的局限性，光斑勻化的效果并不是十分完美，圖6中的光斑在邊緣處還有一些較弱的散光存在。

2.3 實驗安排

2.1 實驗條件與對象

實驗使用的儀器與工具及環(huán)境條件如表1所示。實驗的對象是一根纖芯直徑為400um的石英光纖。

2.2 光斑勻化

將光纖跳線的SMA905接頭連接于半導體激光光源的輸出端口，同時將擾性套管套在光纖跳線上。保持光纖平直放置。接通激光光源的電源，待激光光源穩(wěn)定后，調(diào)整激光光源輸出功率為1000mW。用激光功率計測量光纖末端的輸出功率，如表2所示。同時，查看光斑在白色光屏上的形狀。如圖7所示。

用工具將擾性套管折彎，折彎后的形狀如圖8（a）所示，在折彎時應(yīng)關(guān)注折彎光纖后光纖末端輸出的光斑圖的變化情況。當光斑在肉眼觀察下已無法明顯發(fā)現(xiàn)其不均勻性即可。如圖8（b）所示。

測量勻化后的光纖末端的激光功率，與未加擾性套管的光纖末端激光功率進行對比。如表2所示。

從多模光纖加裝擾性套管前后所測得的輸出功率來看，說明施加外力使光斑勻化的過程或引起一些激光功率的損耗，這是符合前文的軟件模擬結(jié)果的。

3 結(jié)論

本文提出的利用多模光纖和擾性套管對醫(yī)用半導體激光設(shè)備輸出的光斑進行整形勻化的概念，較好地解決了半導體激光器與多模光纖耦合后光斑均勻性差的問題，對提高醫(yī)用激光設(shè)備出射光斑的均勻性有重要意義。在多模光纖裸纖上加裝擾性套管，改變了激光束各種模式在光纖內(nèi)部的分布。

參考文獻：

[1] 陳敏，葉中琛，任海萍，金若男. 光纖和醫(yī)用激光設(shè)備整體質(zhì)控的研究[J]，中國醫(yī)療器設(shè)備，2014，29（06），95.