4-40 高功率线阵半导体激光器光纤耦合

武德勇 高松信 严地勇

　　由于半导体激光器(DL)的输出激光束发散角大，为椭圆形发散光，并且列阵的发光面为一条线，应用受到一定的限制。为了使DL得到更好的应用，需要对DL的光束进行整形输出。本文通过分析高功率线阵半导体激光器的激光输出特性，设计了一种微台阶反射镜阵列对其进行光束变换。首先用微柱透镜对DL的快轴方向准直，然后利用微台阶反射镜，通过提高慢轴方向的光束质量而降低快轴方向光束质量的方法，使得DL bar两个方向的光束质量相近，从而可以汇聚成一接近圆形的光斑，再用聚焦透镜耦合进单根光纤中。

　　图1为微台阶反射镜实物照片，图2为光束变换原理示意图。微台阶反射镜阵列将慢轴方向光束分成了10段，并且每一段都围绕其自身光轴旋转了90° 角。在微台阶反射镜阵列前，DL的输出光束为x方向（慢轴）宽10mm，发散度（FW1/e²）约为16^o，M_x^2» 2730，y方向（快轴）宽1mm，发散度（FW1/e²）约为2° ，M_y^2» 34；经过微台阶反射镜阵列变换后，激光束变为(光轴始终为z轴)：x方向宽10mm，发散度（FW1/e²）约为2° ，M_x^2» 340，y方向宽1mm，发散度（FW1/e²）约为16^o，M_y^2» 275；可见，经过微台阶反射镜阵列变换后，x方向的光束质量因子得到了提高，但同时降低了y方向的光束质量因子。

　　在实验中实现了将10mm宽的连续线阵半导体激光器的输出激光耦合进一根芯径为f 1mm，数值孔径NA=0.38的光纤中，光纤输出激光功率为连续25W。表1为激光在各个光学元件处的能量损失情况，本次实验整个光束变换系统的耦合效率为59.5%，微台阶反射镜阵列处的能量损失主要是由于棱边缺陷和反射率不够造成的，光纤耦合处的能量损失主要是由于y方向光斑大于光纤芯径及光纤的端面未镀增透膜造成的。通过控制好各个光学元件的加工质量并进一步改进，估计整个光束变换系统的耦合效率可提高到76%，耦合光纤的芯径可降为800μm。

表 1 激光在各个光学元件处的能量损失情况