1 引言
光纖耦合半導體激光器以其體積小、光束質量好、壽命長(cháng)及性能穩定等優勢在各領域得到廣泛應用，主要作為(wèi)光纖激光器的(de)泵浦源、固體激光器泵浦源，也可(kě)直接應用于激光醫療，材料處理(lǐ)如(rú)熔覆、焊接等領域。受光纖激光器向高(gāo)功率方向發展趨勢的(de)影響，半導體激光器也在向高(gāo)功率、高(gāo)亮(liàng)度發展，高(gāo)亮(liàng)度半導體激光器具有較高(gāo)的(de)光功率密度，經合束器合束同樣成為(wèi)高(gāo)功率光纖激光器理(lǐ)想的(de)泵浦源。目前光纖耦合半導體激光器結構主要有單管耦合激光器、多單管耦合激光器、迷你Bar以及Bar條/疊陣系列，多單管耦合激光器因其具有高(gāo)可(kě)靠性而成為(wèi)光纖激光器的(de)主流泵浦源之一(yī)，本文主要介紹通過多單管光纖耦合技術實現高(gāo)亮(liàng)度半導體激光器的(de)技術與實現。
2 多單管結構
多單管結構是将多路分立的(de)半導體激光器發出的(de)光束經過整形、重新排列、合束後耦合進入單根光纖，從而可(kě)提高(gāo)激光器輸出功率。由于分立半導體激光器芯片必須安裝在具有一(yī)定大小的(de)熱沉上，如(rú)果直接将多個半導體激光器的(de)輸出光束進行排列并聚焦耦合，通常由于受到每個芯片和(hé)其熱沉體積的(de)限制，合并光束體積較大，很難獲得小芯徑高(gāo)亮(liàng)度的(de)光纖耦合輸出。為(wèi)減小合并光束的(de)空間體積大小，必須采取一(yī)定的(de)措施。為(wèi)此，凱普林自(zì)主研發的(de)多單管耦合結構采用階梯熱沉、聚焦透鏡、耦合光纖以及獨特的(de)安裝方式，光路設計簡化了結構的(de)複雜性，減小了組件的(de)體積，大大提高(gāo)了半導體激光器輸出的(de)功率，同時保證了耦合點的(de)合理(lǐ)工作溫度，如(rú)圖1所示。
在進行多單管耦合前可(kě)對分立半導體激光器芯片進行老化篩選，從而保證了多單管耦合後的(de)可(kě)靠性。單管的(de)随機失效特性獨立，相比于Bar條、疊陣無熱效應幹擾，單管的(de)可(kě)替換也增加了其耐用性，具有較高(gāo)的(de)成本優勢。
3 光纖耦合
為(wèi)實現高(gāo)亮(liàng)度、高(gāo)功率輸出可(kě)增加同時耦合單管半導體激光器的(de)數量來保證較高(gāo)的(de)輸出功率，但将合束後的(de)激光束耦合進入單根光纖中還必須滿足三個條件：一(yī)是光斑的(de)最大直徑小于光纖芯徑；二是光束的(de)發散角小于光纖的(de)數值孔徑對應的(de)角度；三是激光快、慢軸的(de)光束參量積（BPP，光束束腰半徑與發散角半角的(de)乘積）要小于光纖光束參量積。即
但實際應用中，隻有光纖中心的(de)正方形區域是可(kě)用區域，如(rú)圖2所示，耦合光束截面如(rú)圖3，
圖2 光纖耦合時光纖的(de)可(kě)用區域
圖3 光纖中光束截面圖
對于芯徑為(wèi)200μm，數值孔徑為(wèi)0.22的(de)光纖，它的(de)BPP值為(wèi)22mm mad，可(kě)耦合的(de)半導體激光束的(de)BPP最大值為(wèi)：
以9xxnm半導體激光器單支芯片輸出的(de)激光光束數據為(wèi)例，慢軸束腰直徑為(wèi)95μm，發散角半角10°（99%的(de)能量），其光束參量積約為(wèi)8.3mm mrad；快軸束腰直徑1.5μm，發散角半角39°（99%），光束參量積約為(wèi)0.51mm mrad。經軟件仿真，理(lǐ)論上200μm/0.22NA的(de)光纖中可(kě)以耦合28個激光束。目前，經過多年(nián)的(de)技術積累，凱普林9xxnm高(gāo)亮(liàng)度光纖耦合半導體激光器最高(gāo)耦合分立半導體激光器數最高(gāo)可(kě)達20支。
4 結論與展望
本文介紹了一(yī)種多單管耦合結構以及實現高(gāo)亮(liàng)度激光輸出的(de)計算方法，在高(gāo)亮(liàng)度半導體激光器領域，多單管光纖耦合技術廣泛應用于9xxnm、793nm、808nm等波長(cháng)激光器中，分别作為(wèi)摻镱光纖激光器和(hé)摻铥光纖激光器以及摻钕固體激光器的(de)泵源；10W-200W不同功率級别可(kě)對應各種工作模式及功率要求的(de)光纖激光器應用。未來，凱普林将通過增加偏振合束、多波長(cháng)合束等方法将實現更高(gāo)亮(liàng)度的(de)光纖耦合半導體激光器，為(wèi)高(gāo)功率光纖激光器用戶提供更多的(de)産品與服務。
