战利伟，高欣，薄报学，计光

(长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室，长春 130022)

随着光电子技术的快速发展，半导体激光器在生产、生活方面有着广泛的应用。半导体激光器具有效率高、体积小、可靠性好等优点，使得半导体激光器在许多行业凸显出优势。但由于半导体激光器自己结构的特点，其输出光束在垂直于结平面和平行于结平面方向的发散角不同，尤其是垂直于结平面方向(快轴方向)具有很大的发散角。目前对于半导体激光器光束整形的方法中，光纤耦合普遍被人们所接收，通过这种方法既可以实现光束的灵活传输，也为使用带来了方便。在具体分析半导体激光器输出光束特点情况下，本文提出了可以对 LD输出光束的快轴和慢轴同时准直并且两面具有不同曲率半径的微透镜，通过ZEMAX软件进行仿真，能够得到较高的耦合效率。这种透镜具有结构简单、调整方便、耦合效率高的特点。

双曲面透镜的外形尺寸(L×W×T)为2mm×2mm×1mm，快、慢轴的有效焦距(effective focus length)分别为 0.072mm、0.472mm。透镜结构如下图所示。

图1 透镜结构示意图Fig.1 Schematic diagram of lens

1 利用ZEMAX软件仿真

本文对半导体激光器所输出波长为808nm、快轴发散角为40°、慢轴发散角为12°发光面积为1m×100m的光束进行耦合设计。通过ZEMAX软件中的POP(PhysicalOptics Propagation)的相应设置可以得到如图2所示的光源模拟图。

表1 系统数据表Tab.1 System data table

图2 光源模拟图Fig.2 Sources simulation diagram

借助ZEMAX软件让半导体激光器输出的光束通过双曲面透镜(材料为 S-TIH53)并且耦合进芯径为石英材料、芯径大小为62.5m，数值孔径(NA)为0.22的多模光纤中。经过对ZEMAX软件进行相应的设计并对系统优化，可以得到如表一所示的系统数据结构表。

通过ZEMAX软件模拟并优化后的光纤耦合系统图如图3所示，在图3当中的系统结构图分别为在x-z平面(图3左)和y-z平面(图3右)的系统结构图。

图3 系统耦合光路Fig.3 Coupling system

最终半导体激光器光束经过系统后与多模光纤的耦合点列图如图4所示，通过图4可以看出，从光纤出来的光束能够很好的汇聚到一起并且系统的耦合效率能够达到87.652%。这说明对半导体激光器所出射光束进行较好的整形。但系统的耦合效率没有达到100%的主要原因是从半导体激光器所出射的光束经过光纤耦合器后，在耦合器的前后表面存在表面反射，造成传输效率的下降。

图4 系统点列光斑Fig.4 Spot diagram of the coupling system

2 结论

从以上仿真的结果可以看出，利用具有不同曲率半径结构的双面微透镜进行光纤耦合，可同时对LD的快轴和慢轴同时准直，并能够很大程度的改善光束能量发散情况。利用这种微透镜对芯径62.5m的多模光纤和波长808nm的LD进行耦合，耦合效率可以达到87.652%，这一结果对实际应用具有很好的指导意义。

[1]季小玲，吕百达.球差透镜对高斯光束质量的影响[J].中国激光，2001，A28(4)：347-350.

[2]梁一平，戴特力.用圆柱透镜准直半导体光束的分析[J].激光杂志，2004，25(3)：26-28.

[3]马华，曾晓东.双半圆柱透镜准直半导体激光器光束[J].中国激光，2006，33(7)：937-940.

[4]周睿.半导体激光器光束准直技术研究[D].西安：西安：电子科技大学，2007.

[5]高全华，曾晓东.共轴双半圆柱透镜准直半导体激光器光速特性研究[J].激光与红外，2009，A：826-828.

[6]张向东，王晓方.光纤在纤维介质中传播的研究[J].中国激光，2003，30(1)：494-496.

[7]刘欣，王斌，孙婧.利用齿形光阑获得高斯型光束[J].长春理工大学学报：自然科学版，2008，31(2)：32-35.