摘要：随着半导体激光器光源在激光加工领域的应用不断拓展，研制高耦合效率的半导体激光器光纤耦合模块变得十分重要。为了进一步提高光纤耦合激光二极管模块的输出功率，本文应用ZEMAX光学设计软件进行仿真模拟，将12只波长为808nm，输出功率为10W的单管半导体激光器通过合束方法高效率耦合进光纤。耦合光纤芯径为150um、数值孔径为0. 22，光纤输出功率为116.2W，耦合效率为96.8%。关键词：半导体激光器；ZEMAX；高效率；高功率；光纤耦合
近年来，随着光电子产业的飞速发展，大功率半导体激光器在激光加工、生产、生活等领域方面的应用范围逐步拓宽。目前，半导体激光器与多模光纤耦合的研究已经发展到一个成熟阶段，单管半导体激光器与光纤的高效耦合变得尤为重要。单管半导体激光器具有效率高、体积小、可靠性良好等优点，但是，由于半导体激光器固有的结构特点，大功率半导体激光器的光参量积在快轴、慢轴方向相差较大，输出光能量不集中，远场光强分布不均匀，很难用普通的光学系统得到高亮度的大功率激光输出，严重妨碍了大功率半导体激光器的应用。为了实现光纤耦合半导体激光器的大功率、高亮度输出，人们已经发展了多种激光合束与整形技术。单管半导体激光器光纤耦合模块不仅可以从根本上改善输出光束的光束质量，而且采用多个单管半导体激光器进行合束，输出光束的总功率可以达到单体功率的数倍甚至数十倍。
本文运用ZEMAX光学设计软件对12只单管半导体激光器进行了光纤耦合模块设计以及模拟仿真。单管半导体激光器为单偏振态，波长为808nm，输出功率为10W，快轴方向发散角为50°，慢轴方向发散角为8°，发光面积为1μm(快轴)×200μm(慢轴)，腔长为4000μm。模块采用阶梯热沉排列结构，首先通过快轴准直系统对单管半导体激光器的快慢轴光束进行准直，再通过偏振耦合镜组进行偏振合束，最后通过聚焦系统耦合进纤芯直径150μm、数值孔径0．22的光纤中，输出功率为116.2W，耦合效率为96.8%。
单管半导体激光器的有源层较薄，衍射效应使得单管半导体激光器的光束存在发散角并且快慢轴方向的发散角不一致。快轴方向(垂直于pn结方向)的发散角较大，达到18°～40°;慢轴方向(平行于pn结方向)的发散角相对较小，为8°～12°。这就产生了光束远场的不对称性。图1为单管半导体激光器的示意图，图2为单管半导体激光器光源的远场发光特性，远场光斑呈椭圆形分布。
图1.单管半导体激光器示意图
图2.单管半导体激光器光源的远场发光特性光参数积( BPP) 可以较好地表征激光光束质量，光参数积定义为光斑半径与发散半角的乘积。
本文应用ZEMAX光学设计软件对12只波长为808nm的单管半导体激光器输出的光束进行合束，并且耦合进纤芯直径为100μm、数值孔径为0.22 的光纤中进行模拟仿真。单管半导体激光器的输出功率为10 W，快轴方向发散角为50°，慢轴方向发散角为8°，发光面积为1 μm( 快轴) ×200 μm( 慢轴) ，腔长为4000 μm。由单管半导体激光器快慢轴方向的尺寸和发散角以及光纤的纤芯直径和数值孔径，可以得出光束快慢轴方向和光纤的光参数积：
图3. 808nm单管半导体激光器快慢轴准直光路图
图10. 808nm半导体激光器光纤耦合模块光路图
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4 结论
通过ZEMAX光学设计软件模拟仿真单管半导体激光器阶梯排列和偏振合束，设计了12个单偏振态、波长808nm的单管半导体激光器光纤耦合模块。模块中每个半导体激光器功率是10W，采用串联方式，将单管半导体激光器输出光束耦合进纤芯直径150μm、数值孔径0.22的光纤中。模块的输出功率为116.2W，耦合效率达到96.8%。