1 引言
光纖耦合半導體(tǐ)激光器以其體(tǐ)積小(xiǎo)、光束質量好、壽命長及性能穩定等優勢在各領域得到廣泛應用，主要作爲光纖激光器的泵浦源、固體(tǐ)激光器泵浦源，也可直接應用于激光醫療，材料處理如熔覆、焊接等領域。受光纖激光器向高功率方向發展趨勢的影響，半導體(tǐ)激光器也在向高功率、高亮度發展，高亮度半導體(tǐ)激光器具有較高的光功率密度，經合束器合束同樣成爲高功率光纖激光器理想的泵浦源。目前光纖耦合半導體(tǐ)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可靠性而成爲光纖激光器的主流泵浦源之一(yī)，本文主要介紹通過多單管光纖耦合技術實現高亮度半導體(tǐ)激光器的技術與實現。
2 多單管結構
多單管結構是将多路分(fēn)立的半導體(tǐ)激光器發出的光束經過整形、重新排列、合束後耦合進入單根光纖，從而可提高激光器輸出功率。由于分(fēn)立半導體(tǐ)激光器芯片必須安裝在具有一(yī)定大(dà)小(xiǎo)的熱沉上，如果直接将多個半導體(tǐ)激光器的輸出光束進行排列并聚焦耦合，通常由于受到每個芯片和其熱沉體(tǐ)積的限制，合并光束體(tǐ)積較大(dà)，很難獲得小(xiǎo)芯徑高亮度的光纖耦合輸出。爲減小(xiǎo)合并光束的空間體(tǐ)積大(dà)小(xiǎo)，必須采取一(yī)定的措施。爲此，凱普林自主研發的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安裝方式，光路設計簡化了結構的複雜(zá)性，減小(xiǎo)了組件的體(tǐ)積，大(dà)大(dà)提高了半導體(tǐ)激光器輸出的功率，同時保證了耦合點的合理工(gōng)作溫度，如圖1所示。
在進行多單管耦合前可對分(fēn)立半導體(tǐ)激光器芯片進行老化篩選，從而保證了多單管耦合後的可靠性。單管的随機失效特性獨立，相比于Bar條、疊陣無熱效應幹擾，單管的可替換也增加了其耐用性，具有較高的成本優勢。
3 光纖耦合
爲實現高亮度、高功率輸出可增加同時耦合單管半導體(tǐ)激光器的數量來保證較高的輸出功率，但将合束後的激光束耦合進入單根光纖中(zhōng)還必須滿足三個條件：一(yī)是光斑的最大(dà)直徑小(xiǎo)于光纖芯徑；二是光束的發散角小(xiǎo)于光纖的數值孔徑對應的角度；三是激光快、慢(màn)軸的光束參量積（BPP，光束束腰半徑與發散角半角的乘積）要小(xiǎo)于光纖光束參量積。即
但實際應用中(zhōng)，隻有光纖中(zhōng)心的正方形區域是可用區域，如圖2所示，耦合光束截面如圖3，
圖2 光纖耦合時光纖的可用區域
圖3 光纖中(zhōng)光束截面圖
對于芯徑爲200μm，數值孔徑爲0.22的光纖，它的BPP值爲22mm mad，可耦合的半導體(tǐ)激光束的BPP最大(dà)值爲：
以9xxnm半導體(tǐ)激光器單支芯片輸出的激光光束數據爲例，慢(màn)軸束腰直徑爲95μm，發散角半角10°（99%的能量），其光束參量積約爲8.3mm mrad；快軸束腰直徑1.5μm，發散角半角39°（99%），光束參量積約爲0.51mm mrad。經軟件仿真，理論上200μm/0.22NA的光纖中(zhōng)可以耦合28個激光束。目前，經過多年的技術積累，凱普林9xxnm高亮度光纖耦合半導體(tǐ)激光器最高耦合分(fēn)立半導體(tǐ)激光器數最高可達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亮度激光輸出的計算方法，在高亮度半導體(tǐ)激光器領域，多單管光纖耦合技術廣泛應用于9xxnm、793nm、808nm等波長激光器中(zhōng)，分(fēn)别作爲摻镱光纖激光器和摻铥光纖激光器以及摻钕固體(tǐ)激光器的泵源；10W-200W不同功率級别可對應各種工(gōng)作模式及功率要求的光纖激光器應用。未來，凱普林将通過增加偏振合束、多波長合束等方法将實現更高亮度的光纖耦合半導體(tǐ)激光器，爲高功率光纖激光器用戶提供更多的産品與服務。
