岳鵬遠(yuǎn) ，高 欣,2

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) ，吉林 長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué)高功率半導(dǎo)體激光國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130022）

半導(dǎo)體激光器（LD）發(fā)展至今，在技術(shù)手段方面有較為成熟的理論支撐。伴隨著工業(yè)化進(jìn)程的逐步邁進(jìn)，也逐漸朝著高質(zhì)量、高亮度和高功率方向發(fā)展。本文主要是優(yōu)化光纖耦合裝置的內(nèi)部透鏡參數(shù)，提高耦合效率。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者在這領(lǐng)域研究挺多，其中談金川等[1]基于隧道探索深度和精度，采用905 nm 波長(zhǎng)光源對(duì)不同增益區(qū)種類(lèi)和結(jié)構(gòu)從而影響激光器光束質(zhì)量和工作效率；何林安等[2]利用AlGaInP 材料，選擇780 nm 波長(zhǎng)設(shè)計(jì)并制備了半導(dǎo)體激光器，并進(jìn)行了外腔反饋鎖模研究；術(shù)玲等[3]設(shè)計(jì)了波長(zhǎng)為940 nm 的半導(dǎo)體激光器，線(xiàn)寬0.52 nm，工作功率達(dá)到了890 MW。

綜上，本文研究主要目標(biāo)是改進(jìn)高亮度915 nm 半導(dǎo)體激光器光纖耦合結(jié)構(gòu)，使其能夠在規(guī)定條件下，能夠在芯徑為105 μm、數(shù)值孔徑（NA）為0.22 的多模光纖中進(jìn)行高亮度、高功率光能傳輸，在傳輸過(guò)程中能夠保證出射光束的中心波長(zhǎng)維持在915 nm。相較于國(guó)外研究，國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究較為落后，因此本文致力于通過(guò)激光光束快慢軸準(zhǔn)直部分的改進(jìn)，提高耦合效率，使總的轉(zhuǎn)換效率提高到86.3%。

1 高亮度半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)

首先設(shè)計(jì)并確定半導(dǎo)體激光器光源參數(shù)和實(shí)際安裝部件尺寸參數(shù)，確定優(yōu)化后快慢軸準(zhǔn)直透鏡元件組的詳細(xì)參數(shù)；然后，將三支半導(dǎo)體激光器安裝在設(shè)計(jì)好的階梯熱沉上，選用空間合束方法在半導(dǎo)體激光器慢軸方向上進(jìn)行疊加合束；最后將得到的光束通過(guò)非球面聚焦透鏡耦合進(jìn)光纖中，半導(dǎo)體激光器光纖耦合裝置設(shè)計(jì)路線(xiàn)如圖1 所示。

圖1 半導(dǎo)體激光器光纖耦合裝置設(shè)計(jì)流程圖

選定波長(zhǎng)為915 nm 的單管半導(dǎo)體激光器作為光束能量來(lái)源，發(fā)光面尺寸為1μm×100 μm，快軸發(fā)散角為38°，慢軸發(fā)散角為7.5°根據(jù)公式可以計(jì)算半導(dǎo)體激光器光參數(shù)積（BPP）的值為：

多模光纖參數(shù)芯徑為105μm，數(shù)值孔徑為0.22，聯(lián)合公式（1）和公式（2）可以計(jì)算光纖的光參數(shù)積（ ）為：

將表1、表2 參數(shù)帶入公式（3）中，就可以求得合束光斑對(duì)角線(xiàn)方向上的光參數(shù)積：

表1 快慢軸準(zhǔn)之后參數(shù)表

表2 合束后快慢軸方向參數(shù)表

2 Zemax 仿真模擬優(yōu)化

2.1 半導(dǎo)體激光器LD 輸出特性

根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，半導(dǎo)體激光器選用上海筱曉研制的半導(dǎo)體激光器芯片[4]，半導(dǎo)體激光器內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括正負(fù)電極、材料襯底、N 型和P 型限制層以及有源層，輸出功率為1.0 W，發(fā)光區(qū)尺寸為1μm×100μm。通過(guò)實(shí)際操作，測(cè)量得到該半導(dǎo)體激光器芯片快軸方向發(fā)散角為38°，慢軸方向發(fā)散角為7.5°?？燧S方向上的發(fā)散角遠(yuǎn)大于慢軸方向，介于在快軸和慢軸兩個(gè)方向存在較大的特性差異，所以在模擬仿真時(shí)，應(yīng)該分別討論兩種情況，針對(duì)不同方向光束的獨(dú)特性，進(jìn)行參數(shù)選擇和優(yōu)化。

2.2 快軸準(zhǔn)直優(yōu)化

利用ZEMAX 光學(xué)模擬仿真軟件對(duì)快軸準(zhǔn)直柱透鏡進(jìn)行仿真模擬。在序列模式下，設(shè)置光源、透鏡和探測(cè)器，確定相對(duì)位置，將準(zhǔn)直系統(tǒng)近似成聚焦系統(tǒng)，查看仿真結(jié)果，然后通過(guò)軟件自帶的優(yōu)化算法，進(jìn)行優(yōu)化操作，得到尺寸得當(dāng)?shù)摹癉”型非球面柱透鏡凸面形狀參數(shù)，擬采用曲率半徑為0.493 mm 的快軸準(zhǔn)直透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直，然后依據(jù)ZEMAX非序列模式下探測(cè)器光斑顯示效果，進(jìn)行調(diào)整，最后分別采用5 組不同階次擬合曲面（見(jiàn)表3），設(shè)置快軸方向的準(zhǔn)直柱透鏡參數(shù)，建立模型后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

表3 各階次系數(shù)

在經(jīng)過(guò)設(shè)置相同的基本參數(shù)后，針對(duì)每一組階次的曲面進(jìn)行擬合、仿真和求解，得到圖2 中組1～組5 的準(zhǔn)直效果圖。通過(guò)對(duì)比各階次曲面的非球面柱透鏡對(duì)半導(dǎo)體激光器快軸方向出射光束的準(zhǔn)直效果可以看出，階次越高的曲面，準(zhǔn)直效果越好。但是當(dāng)?shù)竭_(dá)十階時(shí)，隨著階次越高，準(zhǔn)直效果沒(méi)有明顯變化。

圖2 快軸方向準(zhǔn)直效果圖

2.3 激光慢軸準(zhǔn)直優(yōu)化

慢軸方向準(zhǔn)直與快軸方向準(zhǔn)直的基本原理是一樣的，不一樣的是慢軸發(fā)散角要遠(yuǎn)小于快軸發(fā)散角，因此在選擇非球面柱透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直時(shí)，易于實(shí)現(xiàn)。其像散示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 半導(dǎo)體激光器的像散示意圖

在Zemax 非序列模式中進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，采用曲率半徑為1.55 mm，厚度為0.75 mm，添加的圓錐度為0.4 的慢軸準(zhǔn)直透鏡，可以看到添加圓錐度系數(shù)之后的慢軸方向準(zhǔn)直透鏡具有更好的準(zhǔn)直效果，如圖4 所示。

圖4 慢軸方向準(zhǔn)直效果圖

2.4 激光合束及光纖耦合

合束方法分為波長(zhǎng)合束、偏振合束和空間合束。由于本文是利用三支波長(zhǎng)均為915 nm 的半導(dǎo)體激光器進(jìn)行合束（如圖5 所示），而前兩種方法主要適用于不同波長(zhǎng)的激光進(jìn)行合束，并且空間合束所需要的設(shè)備簡(jiǎn)單，無(wú)論是在模擬仿真過(guò)程中，還是實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，都是具有簡(jiǎn)單易操作性和可調(diào)性。因此，本研究選用第三種合束方法進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)快慢軸準(zhǔn)直之后，采用反射鏡排列在熱沉上進(jìn)行空間合束。

圖5 階梯鏡空間合束示意圖

通過(guò)Zemax 光學(xué)仿真模擬軟件模擬合束后的激光，得到光斑尺寸遠(yuǎn)大于所要耦合進(jìn)光纖的尺寸，如圖6 空間匹配示意圖，所以合束后的激光不能直接與光纖耦合，必須先把得到的光束利用聚焦元件，減少光斑大小，增大光能密度，達(dá)到能夠?qū)牍饫w的要求，具體要求有以下兩點(diǎn)：

圖6 光纖內(nèi)部空間匹配示意圖

本文采用非球面聚焦透鏡結(jié)構(gòu)，將準(zhǔn)直合束后的光束進(jìn)行聚焦，耦合進(jìn)多模光纖中，也通過(guò)Zemax 光學(xué)仿真設(shè)計(jì)軟件的優(yōu)化算法找到非球面聚焦透鏡最合適的表面形態(tài)，將像差的影響減小到最少，增大耦合效率，圖7 為光纖傳輸示意圖。

圖7 光纖傳輸示意圖

2.5 聚焦光纖耦合設(shè)計(jì)

三支半導(dǎo)體激光器出射光束經(jīng)準(zhǔn)直、合束后不能直接與多模光纖耦合，還需要經(jīng)過(guò)透鏡進(jìn)行聚焦，才能耦合。但是由于光纖具有芯徑小的特點(diǎn)，對(duì)于聚焦系統(tǒng)有很?chē)?yán)格的要求，所以通過(guò)分析透鏡原理、工作方式和加工難易程度等因素。本文選用非球面聚焦透鏡對(duì)所得光束進(jìn)行聚焦。通過(guò)非球面聚焦透鏡聚焦后，聚焦光斑的對(duì)角線(xiàn)尺寸需要滿(mǎn)足小于光纖芯徑尺寸的要求，此外還要求在聚焦后對(duì)角線(xiàn)方向上的發(fā)散全角小于光纖數(shù)值孔徑（NA）值。最后，多模光纖芯徑105μm，數(shù)值孔徑0.22 應(yīng)該滿(mǎn)足式（5）和式（6）兩個(gè)不等式。

同時(shí)選用的非球面聚焦透鏡的焦距應(yīng)該滿(mǎn)足公式：

將合束后的快慢軸方向上的參數(shù)代入公式（7），可得非球面聚焦透鏡的聚焦范圍，并根據(jù)實(shí)際要求得到實(shí)際設(shè)計(jì)焦距范圍：3mm ≤ ≤6mm。

根據(jù)實(shí)際加工條件，在加工非球面聚焦透鏡時(shí)，需要考慮零部件的裝配要求。因此，非球面聚焦透鏡的尺寸會(huì)被相應(yīng)地限制住，于是最終選擇具有特殊的表面形態(tài)，材料為ZK4 的非球面聚焦透鏡進(jìn)行聚焦設(shè)計(jì), 仿真得到圖8 的光纖入射光斑圖，亮斑為合束后的光斑，圓圈為光纖最大芯徑。

圖8 光纖入射光斑圖

經(jīng)過(guò)對(duì)半導(dǎo)體激光器出射光束進(jìn)行快慢軸準(zhǔn)直、合束并聚焦的各部分透鏡進(jìn)行設(shè)計(jì)后，最終完成了高亮度915 nm 半導(dǎo)體激光器光纖耦合裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。圖8 為高亮度915 nm 半導(dǎo)體激光器光纖耦合結(jié)構(gòu)光路圖。模擬的輸出功率為2.85 W，計(jì)算的耦合的輸出功率為95%，光能密度為19.6×102W/cm2，將所得參數(shù)帶入亮度公式（8）中。

在式（8）中，D為光纖芯徑，NA為光纖數(shù)值孔徑，P為總功率。

根據(jù)公式（8）計(jì)算得到高亮度915 nm 半導(dǎo)體激光器光纖耦合結(jié)構(gòu)的輸出亮度為278 kW/cm2·str。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

筆者使用功率計(jì)對(duì)光纖耦合的輸出光功率進(jìn)行測(cè)試，從而進(jìn)一步得到光纖耦合的效率。

將光纖末端連接激光功率計(jì)后，對(duì)光纖耦合裝置進(jìn)行測(cè)試，得到輸出功率的輸出特性，從（圖9）可以看出，在溫度為14 ℃、外加電流為1.387 A 時(shí)，光纖耦合裝置的光纖末端輸出功率為2.139 W，耦合輸出效率約為71.3%。

圖9 半導(dǎo)體激光器裝置圖

利用MATLAB 數(shù)學(xué)分析軟件對(duì)CCD 相機(jī)拍攝的光纖末端出射光斑圖片進(jìn)行光場(chǎng)分析，進(jìn)而研究光纖耦合部件出射光斑的光強(qiáng)分布情況，經(jīng)過(guò)軟件分析得到光場(chǎng)分布數(shù)據(jù)，利用MATLAB 軟件自帶的3D 繪圖功能進(jìn)行繪制。由圖10 中信息可以得到輸出的光斑能量均勻分布，具有較好的應(yīng)用性能，可以直接用于高亮度高功率場(chǎng)所，在照明、激光顯示等方面進(jìn)行適配應(yīng)用。

圖10 體光柵外腔鎖模光纖耦合結(jié)構(gòu)P-1 特性圖

4 結(jié)論

通過(guò)Zemax 光學(xué)仿真軟件對(duì)半導(dǎo)體激光器光纖耦合裝置的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬，進(jìn)一步采用高階次擬合曲面優(yōu)化快軸準(zhǔn)直透鏡，將慢軸準(zhǔn)直透鏡的曲面中添加圓錐度，提高準(zhǔn)直效果。在芯徑為105 μm，NA 為0.22 的多模光纖中，該裝置耦合輸出功率為2.59 W，總體轉(zhuǎn)換效率為86.3%，相較于現(xiàn)有耦合裝置提高了0.27%，透鏡結(jié)構(gòu)尺寸大幅度減小，可以適用于空間較小的工作環(huán)境設(shè)計(jì)出符合要求的高功率、高亮度的半導(dǎo)體激光器光纖耦合裝置。