光纤耦合半导体激光器
时间:2025-08-15
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定义：一种二极管激光器，其中产生的光被耦合到光纤中。
在许多情况下，有必要将二极管激光器的输出光耦合到光纤中，以便将光传输到需要的地方。光纤耦合半导体激光器具有以下优点：
光纤发出的光的强度曲线通常是平滑的圆形，光束质量是对称的，这在应用中非常方便。例如，使用不太复杂的光学器件为端泵浦固态激光器产生圆形泵浦点。
2.如果从固态激光头上拆下激光二极管及其冷却装置，激光会变得非常小，并且有足够的空间放置其他光学部件。
3.更换不合格的光耦合半导体激光器不需要改变器件的布置。
4.光耦合装置易于与其他光纤装置结合使用。
光纤耦合半导体激光器类型
许多成品二极管激光器是光纤耦合的，激光器封装中包含非常坚固的光纤耦合光学元件。不同的二极管激光器使用不同的光纤和技术。
最简单的情况是VCSEL（垂直腔面辐射激光器）通常辐射具有非常高的光束质量、中等光束发散、无像散和圆形强度分布的光束。将辐射点成像到单模光纤的纤芯中需要一个简单的球面透镜。耦合效率可达70-80%。光纤也可以直接耦合到VCSEL的辐射表面。
小型边缘发射激光二极管也辐射单个空间模式，因此原则上可以有效地耦合到单模光纤中。然而，如果只使用简单的球面透镜，光束的椭圆度将大大降低耦合效率。并且光束发散角在至少一个方向上相对较大，因此透镜需要具有相对较大的数值孔径。另一个问题是二极管输出光中存在的像散，特别是增益导向二极管，可以通过使用额外的柱面透镜来补偿。如果输出功率达到几百毫瓦，光纤耦合增益引导激光二极管可用于泵浦掺铒光纤放大器。
小型边缘发射激光二极管也辐射单个空间模式，因此原则上可以有效地耦合到单模光纤中。然而，如果只使用简单的球面透镜，光束的椭圆度将大大降低耦合效率。并且光束发散角在至少一个方向上相对较大，因此透镜需要具有相对较大的数值孔径。另一个问题是二极管输出光中存在的像散，特别是增益导向二极管，可以通过使用额外的柱面透镜来补偿。如果输出功率达到几百毫瓦，光纤耦合增益引导激光二极管可用于泵浦掺铒光纤放大器。
图2：一个简单的低功率光纤耦合边缘发射激光二极管的示意图。球面透镜用于将激光二极管表面发出的光成像到光纤芯上。光束椭圆度和像散降低了耦合效率。
大面积激光二极管在辐射方向上是空间多模的。如果你只是通过柱面透镜（例如，如图3所示的光纤透镜）对圆形光束进行整形，然后进入多模光纤，那么大部分亮度都会损失，因为无法使用快轴方向上的高质量光束。例如，功率为1W的光可以进入芯径为50微米、数值孔径为0.12的多模光纤。这种光足以泵浦低功率体激光器，如微芯片激光器。甚至可以发射10W的光。
图3：简单的光耦合大面积激光二极管示意图。光纤透镜用于在快轴方向上准直光。
一种改进的宽带激光技术是在发射光束之前将光束整形为具有对称的光束质量（不仅仅是光束半径）。这也会导致更高的亮度。
在二极管阵列中，非对称光束质量的问题更为严重。每个发射机的输出可以耦合到光纤束中的不同光纤中。光纤线性排列在二极管阵列的一侧，但输出端排列成圆形阵列。在将光束发射到多模光纤之前，可以使用光束整形器来实现对称的光束质量。这允许30W的光耦合到直径为200微米、数值孔径为0.22的光纤中。该装置可用于泵浦Nd:YAG或Nd:YVO4激光器，以获得约15W的输出功率。
在二极管堆叠中，通常也使用芯直径较大的光纤。几百瓦（甚至几千瓦）的光可以耦合到芯径为600微米、数值孔径为0.22的光纤中。
光纤耦合的缺点。
与自由空间辐射激光器相比，光纤耦合半导体激光器的一些缺点包括：
成本更高。如果简化光束处理和传输过程，可以降低成本。
输出功率稍小，更重要的是亮度。亮度损失有时非常大（大于一个数量级），有时很小，具体取决于所使用的光纤耦合技术。在某些情况下，这并不重要，但在其他情况下，它会成为一个问题，例如在二极管泵浦体激光器或高功率光纤激光器的设计中。
在大多数情况下（尤其是多模光纤），光纤是保偏的。然后光纤的输出光被部分偏振，如果光纤移动或温度变化，偏振态也会发生变化。如果泵浦吸收与偏振有关，这可能会在二极管泵浦的固态激光器中产生严重的稳定性问题。
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