近年來，高功率光纖激光器因其優(yōu)良的性能日益受到人們的重視和青睞，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)加工、空間光通信、醫(yī)療和軍事等各個(gè)方面，其迅速發(fā)展在很大程度上得益于大功率高亮度半導(dǎo)體激光器技術(shù)的進(jìn)步，大功率半導(dǎo)體激光光纖耦合技術(shù)一直是高功率光纖激光器技術(shù)的一項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)。相反地，半導(dǎo)體激光器泵浦的高功率光纖激光器（DPFL）的發(fā)展也帶動(dòng)了大功率半導(dǎo)體激光器技術(shù)，尤其是大功率半導(dǎo)體激光光纖耦合技術(shù)的進(jìn)步。由于單管半導(dǎo)體激光器（LD）的輸出功率受限于數(shù)瓦量級(jí)，遠(yuǎn)不能滿足高功率光纖激光器泵浦源的要求，要獲得更大輸出功率須采用具有多個(gè)發(fā)光單元的激光二極管陣列（LD Array）。按照結(jié)構(gòu)形式的不同，激光二極管陣列分為線陣列（LD Bar）和面陣列（LD Stack），其中LD Bar的輸出功率一般在數(shù)十瓦至百瓦量級(jí)，而LD Stack的輸出功率一般在數(shù)百瓦乃至上千瓦。無論是單管LD還是LD Array，由其固有結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了半導(dǎo)體激光器具有光束發(fā)散角較大，輸出光束光斑不對(duì)稱，亮度不高等問題，給作為高功率光纖激光器泵浦源的實(shí)際應(yīng)用帶來很大困難和不便。一個(gè)較好的解決方法是將半導(dǎo)體激光耦合進(jìn)光纖輸出，這樣既可以利用光纖的柔性傳輸，增加使用的靈活性，又可以從根本上改善半導(dǎo)體激光器的輸出光束質(zhì)量。

      大功率半導(dǎo)體激光器陣列光纖耦合技術(shù)作為一項(xiàng)高新技術(shù)，具有很高的技術(shù)含量，涉及半導(dǎo)體材料、纖維光學(xué)技術(shù)、微光學(xué)技術(shù)、微精細(xì)加工技術(shù)和耦合封裝技術(shù)等關(guān)鍵單元技術(shù)。目前為止，大功率半導(dǎo)體激光器陣列光纖耦合技術(shù)主要采用兩條技術(shù)路線：光纖束耦合法和微光學(xué)系統(tǒng)耦合法。下面將主要以LD Bar光纖耦合技術(shù)為例，就該兩種方法進(jìn)行詳細(xì)闡述。

 2．大功率半導(dǎo)體激光器陣列光纖耦合技術(shù)

   2．1光纖束耦合法

     光纖束耦合法（又稱光纖陣列耦合法）是早期使用的一種光纖耦合技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了、耦合效率高、各發(fā)光元的間隙不影響整體光束質(zhì)量和成本低等優(yōu)點(diǎn)。該方法通過微光學(xué)系統(tǒng)將LD Bar各個(gè)發(fā)光單元發(fā)出的光束在快軸方向進(jìn)行準(zhǔn)直和壓縮后，與相同數(shù)目的光纖陣列一一對(duì)應(yīng)耦合，然后通過光纖合束在光纖束出射端進(jìn)行集束輸出。

    由于大功率半導(dǎo)體激光器陣列在平行于PN結(jié)平面方向（慢軸方向）的發(fā)散角較小，沒有超出輸出光纖的數(shù)值孔徑（通常為0.11或0.22），因此不用對(duì)慢軸方向的發(fā)散角進(jìn)行壓縮，只需對(duì)激光器在垂直于PN結(jié)平面方向的輸出光束進(jìn)行壓縮即可。圓柱形微透鏡對(duì)光束具有一定的會(huì)聚作用，能夠把半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束進(jìn)行單方向會(huì)聚，利用圓柱形微透鏡可以實(shí)現(xiàn)快軸方向發(fā)散角的壓縮，盡管具有較大的光學(xué)象差，但是并不影響它在耦合中的應(yīng)用。大功率LD Bar各個(gè)發(fā)光單元發(fā)出的光束經(jīng)過圓柱形微透鏡實(shí)現(xiàn)快軸方向的準(zhǔn)直和壓縮后，一對(duì)一的耦合到光纖陣列中，然后將光纖陣列用特殊的工藝進(jìn)行合束處理，并裝配到SMA905的標(biāo)準(zhǔn)接頭中。實(shí)用化產(chǎn)品中采用此方法的有中科院半導(dǎo)體所，美國(guó)Coherent公司和SDL公司等，其中Coherent和SDL的產(chǎn)品的光纖束輸出端有時(shí)會(huì)對(duì)接一根單芯光纖，這就要求有很好的對(duì)接光學(xué)系統(tǒng)。在這種光纖陣列耦合方法中，光纖陣列需要精密排列固定，且排列周期應(yīng)和LD Bar的單元周期嚴(yán)格匹配。因此需要加工特殊設(shè)計(jì)的精密V型槽或U型槽陣列，用以固定光纖陣列。

光纖束耦合法雖然因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于對(duì)亮度和功率密度要求不高的實(shí)用化系統(tǒng)中，但是由于光纖束（包括對(duì)接光纖）直徑較大，導(dǎo)致輸出激光的亮度和功率密度較低，并且也難以通過對(duì)該光束進(jìn)行進(jìn)一步整形來提高光亮度。因此，該耦合技術(shù)不能很好的滿足半導(dǎo)體激光器泵浦源對(duì)高光能量密度的要求，正逐漸被采用微光學(xué)透鏡陣列的光束整形耦合技術(shù)所取代。

  2．2微光學(xué)系統(tǒng)整形耦合法

    微光學(xué)系統(tǒng)整形耦合法是通過微光學(xué)系統(tǒng)（微透鏡陣列、微棱鏡陣列、微柱透鏡等）對(duì)LD Bar輸出的光束進(jìn)行準(zhǔn)直、整形、變換和聚焦耦合進(jìn)入單根光纖中。

    如前所述，LD Bar由于其結(jié)構(gòu)的特殊性決定了快、慢軸方向光束的非對(duì)稱性，因此輸出光束的準(zhǔn)直需要在快、慢軸方向上分別進(jìn)行。因?yàn)榘l(fā)散角比較大且為高斯光束，快軸的準(zhǔn)直通常需利用具有大數(shù)值孔徑（一般NA>0.85）的非球面微柱透鏡，既可以校正球差而又不至于增加過多的透鏡片數(shù)。設(shè)計(jì)和制作該非球面微柱透鏡所需的參數(shù)主要有透鏡尺寸、數(shù)值孔徑（快軸方向）、焦距、材料和波長(zhǎng)等。慢軸方向是由N個(gè)具有一定寬度和一定間隔的的線發(fā)光元構(gòu)成的，故通常采用球面微柱透鏡陣列將一個(gè)發(fā)光區(qū)與一個(gè)微柱透鏡一一對(duì)應(yīng)準(zhǔn)直。慢軸方向光束的理想準(zhǔn)直度取決于LD Bar的結(jié)構(gòu)，尤其是發(fā)光區(qū)的周期和發(fā)光區(qū)尺寸之比，即空間占空比的倒數(shù)，并且占空比越小，理想準(zhǔn)直精度越高。設(shè)計(jì)和制作該球面微柱透鏡陣列所依據(jù)的參數(shù)主要有單個(gè)發(fā)光區(qū)尺寸、發(fā)光單元的周期、數(shù)值孔徑（慢軸方向）、發(fā)光單元的數(shù)目和波長(zhǎng)等。在半導(dǎo)體激光微光學(xué)系統(tǒng)耦合技術(shù)領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位的德國(guó)LIMO公司，針對(duì)LD Bar的慢軸準(zhǔn)直應(yīng)用，專門設(shè)計(jì)了一種更先進(jìn)的微透鏡陣列（Telescope-Arrays）。該微透鏡陣列由兩個(gè)非球面微柱透鏡陣列組成，可以更有效地壓縮慢軸發(fā)散角，優(yōu)化獲得更高的激光亮度，并且可以將發(fā)光單元線陣列轉(zhuǎn)化為一條均勻的線發(fā)光區(qū)。

另一方面，LD Bar的輸出光束在快軸和慢軸方向的不對(duì)稱造成了光束質(zhì)量的不均衡，具體表現(xiàn)為兩個(gè)方向上的光參數(shù)積差別很大?？燧S方向的光束質(zhì)量接近衍射極限，光參數(shù)積只有零點(diǎn)幾個(gè)mm.mrad；而慢軸方向的光束質(zhì)量較差，光參數(shù)積高達(dá)幾百mm.mrad。這樣的光束是不可能通過傳統(tǒng)的成像光學(xué)系統(tǒng)聚焦成對(duì)稱小光斑的，必須采用特殊的光學(xué)元器件對(duì)光束進(jìn)行整形，以減小慢軸方向的光參數(shù)積，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向光束質(zhì)量的均衡。

    目前，國(guó)內(nèi)外有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的光束整形方法主要有雙平面反射鏡法、階梯反射鏡法、多棱鏡陣列法、棱鏡組折反射法、微片棱鏡堆整形法和二維透射式閃耀光柵陣列法等，但是這些整形方法或由于器件加工困難，或由于裝調(diào)復(fù)雜等問題導(dǎo)致耦合效率不高，還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，離實(shí)用化和商業(yè)化還有一定距離。作為技術(shù)成熟度比較高的典型代表，德國(guó)LIMO公司的光纖耦合輸出型大功率半導(dǎo)體激光器采用設(shè)計(jì)獨(dú)特的光束整形系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)快慢軸光參數(shù)積的均衡，并將準(zhǔn)直后的非對(duì)稱半導(dǎo)體激光光束無損耗地變換成對(duì)稱的圓形光束，以便于光纖耦合。

  光參數(shù)積均衡器由 傾斜的柱透鏡陣列組成，LD Bar輸出光經(jīng)快慢軸準(zhǔn)直后，每個(gè)發(fā)光單元一一對(duì)應(yīng)通過光參數(shù)積均衡器中的柱透鏡，形成與發(fā)光單元數(shù)目相等且呈矩形分布的光斑，實(shí)現(xiàn)了快軸和慢軸方向光參數(shù)積的均衡。但是經(jīng)過光參數(shù)積后的光束不再是準(zhǔn)直光，而是在垂直方向上發(fā)散的矩形分布，需要利用微柱透鏡進(jìn)行二次準(zhǔn)直，最后用一對(duì)柱透鏡分別在快軸和慢軸方向上進(jìn)行聚焦，形成對(duì)稱的便于光纖耦合的圓形光斑。

為了能達(dá)到最優(yōu)的耦合效果，設(shè)計(jì)制造這種應(yīng)用于大功率LD Bar光纖耦合的光束整形變換微光學(xué)系統(tǒng)，所依據(jù)的參數(shù)主要有：發(fā)光單元尺寸、發(fā)光單元周期、發(fā)光單元數(shù)目、快慢軸的發(fā)散角、LD Bar的微笑效應(yīng)(smile-effect)和耦合光纖的纖芯直徑與數(shù)值孔徑等。特別需要說明的是，LIMO通過將快慢軸準(zhǔn)直微柱透鏡、光束整形變換系統(tǒng)和聚焦微柱透鏡進(jìn)行片上集成，構(gòu)成一個(gè)整體，即所謂的HOC (Hybrid Optical Chip)。利用這種HOC，不僅可以對(duì)LD Bar輸出光進(jìn)行光纖耦合，也可以對(duì)單管LD和LD Stack輸出光進(jìn)行光纖耦合。#p#分頁標(biāo)題#e#

利用微光學(xué)系統(tǒng)整形耦合法進(jìn)行大功率半導(dǎo)體激光器的光纖耦合，可以將大功率半導(dǎo)體激光耦合進(jìn)芯徑相對(duì)較小的單根光纖，容易實(shí)現(xiàn)高亮度和高功率密度的激光輸出，非常適合于泵浦高功率光纖激光器。但是，由于對(duì)所用微透鏡及其陣列的光學(xué)質(zhì)量要求很高，制作和加工難度較大，導(dǎo)致成本較高。

3．大功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合產(chǎn)品概況

    目前，在商業(yè)化的大功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合產(chǎn)品市場(chǎng)上，一直由國(guó)外的一些大公司占據(jù)著優(yōu)勢(shì)地位，如美國(guó)的Coherent、SDL、Spectra-Pysics公司以及德國(guó)的LIMO公司等。與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，國(guó)內(nèi)大功率半導(dǎo)體激光光纖耦合產(chǎn)品的性能參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)還有較大差距，所以尚無大批量應(yīng)用。這主要是由于大功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合技術(shù)涉及的基礎(chǔ)單元技術(shù)層面較廣，如半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)和加工工藝，微光學(xué)透鏡及其陣列的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)和工藝等，而國(guó)內(nèi)在這些方面與國(guó)外相比還有較大的技術(shù)差距。因此，要想在高端的激光光纖耦合技術(shù)領(lǐng)域脫穎而出，首先必須縮小各個(gè)基礎(chǔ)單元技術(shù)方面的差距。