微光学元件及光纤耦合半导体激光器

半导体激光器(Laser Diode, LD)及其阵列（Laser Diode Array，LDA）由于具有体积小、重量轻、发光效率高和易调制、容易集成等优点被认为是最有前景的激光器。大功率半导体激光器要求激光器非单发光区结构而是由这些单发光区按照某一规则排列成线阵（BAR CHIPS）或面阵（STACKED ARRAY），图5 为典型的大功率条阵半导体激光器的发光截面示意图。半导体激光器的特殊结构使得它的发散角较大，而且存在着像散，给使用带来了很多不便，制约半导体激光器应用。除了极少数的应用，如DPL的侧面外，大多数应用，如半导体激光器泵浦的全固态激光器（DPSSL）的端面、光纤激光器以及要求较高的侧面泵浦激光器都要求对LDA 光束进行整形，形成小芯径、小数值孔径、高亮度的光纤耦合激光输出。较早的方法是将一根光纤和LDA 的每一个发光区一一对应，形成一捆光纤束。这种方法在大功率时须采用一大捆光纤束而光亮度并不大，也难于对该光束进行进一步的整形来提高光亮度，因此该方法已趋于淘汰。考虑到微光学元件和大功率半导体激光器阵列都具有微型化、阵列化的特点，采用微光学元件对半导体激光器光束进行准直、整形和耦合被认为是最有前景的方法微透镜阵列光束整形。首先采用微透镜阵列将LDA 光束准直成准直光束，然后进一步将光束进行整形，最后将整形光束聚焦耦合到光纤，如图6 所示。 
3.2 光纤耦合LDA 模块原理分析
光纤耦合输出激光光束的主要参数除了功率外就是光纤芯径和数值孔径。对于一定芯径和数值孔径的光纤耦合光束而言，其整个耦合过程满足光参数积不变的原理[3]。光参数积定义为光斑直径与该方向的发散角的乘积。对于直径为d 圆形对称的光束，其远场发散角为θ，该光束的光参数积为BPP LDA、BPP fiber分别为耦合光束和光纤的光参数积。对于图5 所示的吧条大功率半导体激光器阵列，快、慢轴方向的光参数积分别为0.70mm*mrad 和1745mm*mrad，但如果发散角按1/e2定义，激光器的发散角更大。实际上，阵列型半导体激光器的各个发光区之间存在间隙，占空比为0.3 而非1，因此采用微透镜阵列一一对应准直可以提高占空比，减小慢轴方向的光参数积 [2]，这样光参数积变成19×0.15 ×10 ×17.45=497mm*mrad，图7 为准直半导体激光器阵列的微柱面透镜的面形轮廓。
 3.3、准直光束的准直及整形 
对于芯径为800μm 、数值孔径为0.22的光纤其光参数积为352mm*mrad，快轴方向的光参数积已经足可以满足耦合要求，慢轴方向的光参数积太大，仅靠传统的光学系统是无法改变光束的光参数积，因此必须对光束整形。光束整形就是通过重新排列快、慢轴方向的光束，来减小一个方向的光斑尺寸，增大另一个方向的光斑尺寸，从而实现两方向光参数积的平衡。假定慢轴方向的光参数积为BPPslow，快轴方向的光参数积为BPP fast，那么整形时光束整形次数N可通过（3）式计算得到 
实际上，由于折叠次数的增多必然带来分割间隙间的损耗，因此只需满足快、慢轴方向的光参数积均小于耦合光纤的光参数积即可。目前有三种光束整形有三种方式：反射式、折射式和折反射式。折射式和折/反射式由于准直后慢轴方向的光束仍有一定的发散角，在几个折射表面必然产生较大反射损耗和偏离光路，从而降低整个系统的耦合效率，反射式是一种较为理想的方法，因此选择反射式有利于提高系统的耦合效率。
对于占宽比为0.3 的条阵LDA，采用微透镜阵列准直后，其快慢轴方向的光参数积分别为0.70 mm*mrad和497 mm*mrad。若需要耦合进入800um、0.22NA、对应光参数积为352 mm*mrad 的光纤， 那么慢轴光束只需整形折叠2 次即可。
3.4、计算模拟