近年來，高功率光纖激光器因其優(you) 良的性能日益受到人們(men) 的重視和青睞，被廣泛地應用於(yu) 工業(ye) 加工、空間光通信、醫療和軍(jun) 事等各個(ge) 方麵，其迅速發展在很大程度上得益於(yu) 大功率高亮度半導體(ti) 激光器技術的進步，大功率半導體(ti) 激光光纖耦合技術一直是高功率光纖激光器技術的一項關(guan) 鍵核心技術。相反地，半導體(ti) 激光器泵浦的高功率光纖激光器（DPFL）的發展也帶動了大功率半導體(ti) 激光器技術，尤其是大功率半導體(ti) 激光光纖耦合技術的進步。由於(yu) 單管半導體(ti) 激光器（LD）的輸出功率受限於(yu) 數瓦量級，遠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(ge) 發光單元的激光二極管陣列（LD Array）。按照結構形式的不同，激光二極管陣列分為(wei) 線陣列（LD Bar）和麵陣列（LD Stack），其中LD Bar的輸出功率一般在數十瓦至百瓦量級，而LD Stack的輸出功率一般在數百瓦乃至上千瓦。無論是單管LD還是LD Array，由其固有結構特點決(jue) 定了半導體(ti) 激光器具有光束發散角較大，輸出光束光斑不對稱，亮度不高等問題，給作為(wei) 高功率光纖激光器泵浦源的實際應用帶來很大困難和不便。一個(ge) 較好的解決(jue) 方法是將半導體(ti) 激光耦合進光纖輸出，這樣既可以利用光纖的柔性傳(chuan) 輸，增加使用的靈活性，又可以從(cong) 根本上改善半導體(ti) 激光器的輸出光束質量。

      大功率半導體(ti) 激光器陣列光纖耦合技術作為(wei) 一項高新技術，具有很高的技術含量，涉及半導體(ti) 材料、纖維光學技術、微光學技術、微精細加工技術和耦合封裝技術等關(guan) 鍵單元技術。目前為(wei) 止，大功率半導體(ti) 激光器陣列光纖耦合技術主要采用兩(liang) 條技術路線：光纖束耦合法和微光學係統耦合法。下麵將主要以LD Bar光纖耦合技術為(wei) 例，就該兩(liang) 種方法進行詳細闡述。

 2．大功率半導體(ti) 激光器陣列光纖耦合技術

   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，具有結構簡單明了、耦合效率高、各發光元的間隙不影響整體(ti) 光束質量和成本低等優(you) 點。該方法通過微光學係統將LD Bar各個(ge) 發光單元發出的光束在快軸方向進行準直和壓縮後，與(yu) 相同數目的光纖陣列一一對應耦合，然後通過光纖合束在光纖束出射端進行集束輸出。

    由於(yu) 大功率半導體(ti) 激光器陣列在平行於(yu) PN結平麵方向（慢軸方向）的發散角較小，沒有超出輸出光纖的數值孔徑（通常為(wei) 0.11或0.22），因此不用對慢軸方向的發散角進行壓縮，隻需對激光器在垂直於(yu) PN結平麵方向的輸出光束進行壓縮即可。圓柱形微透鏡對光束具有一定的會(hui) 聚作用，能夠把半導體(ti) 激光器發出的光束進行單方向會(hui) 聚，利用圓柱形微透鏡可以實現快軸方向發散角的壓縮，盡管具有較大的光學象差，但是並不影響它在耦合中的應用。大功率LD Bar各個(ge) 發光單元發出的光束經過圓柱形微透鏡實現快軸方向的準直和壓縮後，一對一的耦合到光纖陣列中，然後將光纖陣列用特殊的工藝進行合束處理，並裝配到SMA905的標準接頭中。實用化產(chan) 品中采用此方法的有中科院半導體(ti) 所，美國Coherent公司和SDL公司等，其中Coherent和SDL的產(chan) 品的光纖束輸出端有時會(hui) 對接一根單芯光纖，這就要求有很好的對接光學係統。在這種光纖陣列耦合方法中，光纖陣列需要精密排列固定，且排列周期應和LD Bar的單元周期嚴(yan) 格匹配。因此需要加工特殊設計的精密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構簡單，成本低等優(you) 點被廣泛應用於(yu) 對亮度和功率密度要求不高的實用化係統中，但是由於(yu) 光纖束（包括對接光纖）直徑較大，導致輸出激光的亮度和功率密度較低，並且也難以通過對該光束進行進一步整形來提高光亮度。因此，該耦合技術不能很好的滿足半導體(ti) 激光器泵浦源對高光能量密度的要求，正逐漸被采用微光學透鏡陣列的光束整形耦合技術所取代。

  2．2微光學係統整形耦合法

    微光學係統整形耦合法是通過微光學係統（微透鏡陣列、微棱鏡陣列、微柱透鏡等）對LD Bar輸出的光束進行準直、整形、變換和聚焦耦合進入單根光纖中。

    如前所述，LD Bar由於(yu) 其結構的特殊性決(jue) 定了快、慢軸方向光束的非對稱性，因此輸出光束的準直需要在快、慢軸方向上分別進行。因為(wei) 發散角比較大且為(wei) 高斯光束，快軸的準直通常需利用具有大數值孔徑（一般NA>0.85）的非球麵微柱透鏡，既可以校正球差而又不至於(yu) 增加過多的透鏡片數。設計和製作該非球麵微柱透鏡所需的參數主要有透鏡尺寸、數值孔徑（快軸方向）、焦距、材料和波長等。慢軸方向是由N個(ge) 具有一定寬度和一定間隔的的線發光元構成的，故通常采用球麵微柱透鏡陣列將一個(ge) 發光區與(yu) 一個(ge) 微柱透鏡一一對應準直。慢軸方向光束的理想準直度取決(jue) 於(yu) LD Bar的結構，尤其是發光區的周期和發光區尺寸之比，即空間占空比的倒數，並且占空比越小，理想準直精度越高。設計和製作該球麵微柱透鏡陣列所依據的參數主要有單個(ge) 發光區尺寸、發光單元的周期、數值孔徑（慢軸方向）、發光單元的數目和波長等。在半導體(ti) 激光微光學係統耦合技術領域一直處於(yu) 領先地位的德國LIMO公司，針對LD Bar的慢軸準直應用，專(zhuan) 門設計了一種更先進的微透鏡陣列（Telescope-Arrays）。該微透鏡陣列由兩(liang) 個(ge) 非球麵微柱透鏡陣列組成，可以更有效地壓縮慢軸發散角，優(you) 化獲得更高的激光亮度，並且可以將發光單元線陣列轉化為(wei) 一條均勻的線發光區。

另一方麵，LD Bar的輸出光束在快軸和慢軸方向的不對稱造成了光束質量的不均衡，具體(ti) 表現為(wei) 兩(liang) 個(ge) 方向上的光參數積差別很大。快軸方向的光束質量接近衍射極限，光參數積隻有零點幾個(ge) mm.mrad；而慢軸方向的光束質量較差，光參數積高達幾百mm.mrad。這樣的光束是不可能通過傳(chuan) 統的成像光學係統聚焦成對稱小光斑的，必須采用特殊的光學元器件對光束進行整形，以減小慢軸方向的光參數積，實現兩(liang) 個(ge) 方向光束質量的均衡。

    目前，國內(nei) 外有文獻報導的光束整形方法主要有雙平麵反射鏡法、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於(yu) 器件加工困難，或由於(yu) 裝調複雜等問題導致耦合效率不高，還處於(yu) 實驗室研究階段，離實用化和商業(ye) 化還有一定距離。作為(wei) 技術成熟度比較高的典型代表，德國LIMO公司的光纖耦合輸出型大功率半導體(ti) 激光器采用設計獨特的光束整形係統可以實現快慢軸光參數積的均衡，並將準直後的非對稱半導體(ti) 激光光束無損耗地變換成對稱的圓形光束，以便於(yu) 光纖耦合。

  光參數積均衡器由 傾(qing) 斜的柱透鏡陣列組成，LD Bar輸出光經快慢軸準直後，每個(ge) 發光單元一一對應通過光參數積均衡器中的柱透鏡，形成與(yu) 發光單元數目相等且呈矩形分布的光斑，實現了快軸和慢軸方向光參數積的均衡。但是經過光參數積後的光束不再是準直光，而是在垂直方向上發散的矩形分布，需要利用微柱透鏡進行二次準直，最後用一對柱透鏡分別在快軸和慢軸方向上進行聚焦，形成對稱的便於(yu) 光纖耦合的圓形光斑。

為(wei) 了能達到最優(you) 的耦合效果，設計製造這種應用於(yu) 大功率LD Bar光纖耦合的光束整形變換微光學係統，所依據的參數主要有：發光單元尺寸、發光單元周期、發光單元數目、快慢軸的發散角、LD Bar的微笑效應(smile-effect)和耦合光纖的纖芯直徑與(yu) 數值孔徑等。特別需要說明的是，LIMO通過將快慢軸準直微柱透鏡、光束整形變換係統和聚焦微柱透鏡進行片上集成，構成一個(ge) 整體(ti) ，即所謂的HOC (Hybrid Optical Chip)。利用這種HOC，不僅(jin) 可以對LD Bar輸出光進行光纖耦合，也可以對單管LD和LD Stack輸出光進行光纖耦合。#p#分頁標題#e#

利用微光學係統整形耦合法進行大功率半導體(ti) 激光器的光纖耦合，可以將大功率半導體(ti) 激光耦合進芯徑相對較小的單根光纖，容易實現高亮度和高功率密度的激光輸出，非常適合於(yu) 泵浦高功率光纖激光器。但是，由於(yu) 對所用微透鏡及其陣列的光學質量要求很高，製作和加工難度較大，導致成本較高。

3．大功率半導體(ti) 激光器光纖耦合產(chan) 品概況

    目前，在商業(ye) 化的大功率半導體(ti) 激光器光纖耦合產(chan) 品市場上，一直由國外的一些大公司占據著優(you) 勢地位，如美國的Coherent、SDL、Spectra-Pysics公司以及德國的LIMO公司等。與(yu) 國外同類產(chan) 品相比，國內(nei) 大功率半導體(ti) 激光光纖耦合產(chan) 品的性能參數和技術指標還有較大差距，所以尚無大批量應用。這主要是由於(yu) 大功率半導體(ti) 激光器光纖耦合技術涉及的基礎單元技術層麵較廣，如半導體(ti) 材料的生長和加工工藝，微光學透鏡及其陣列的設計與(yu) 製造技術和工藝等，而國內(nei) 在這些方麵與(yu) 國外相比還有較大的技術差距。因此，要想在高端的激光光纖耦合技術領域脫穎而出，首先必須縮小各個(ge) 基礎單元技術方麵的差距。