激光耦合技术实战
激光与光纤耦合原理
激光与光纤耦合原理
激光与光纤耦合是指将激光能量有效地传输到光纤中的过程。
光纤是一种以玻璃或塑料为基底的细长管状结构，可以传输光信号。
激光是一种高强度、高方向性、高单色性的光束。
激光与光纤之间的耦合主要依靠两种方式：端面耦合和内部耦合。
端面耦合是指将激光束直接传输到光纤的端面上。
内部耦合是指将激光束传输到光纤的内部，通过光纤内的折射和反射来实现能量传输。
在端面耦合中，激光束需要经过准直、聚焦等处理，使其能够尽可能地与光纤的端面对齐。
常用的方式包括使用透镜、光纤对准仪等工具来实现。
同时，由于激光束在空间中的传播性质，需要注意光纤端面的反射和散射问题，以避免能量损失和干扰。
内部耦合则更为复杂。
常见的内部耦合方式有衍射耦合和折射耦合。
衍射耦合是指通过衍射元件（如光栅）将激光束分成多个波前，将其中一个波前耦合到光纤中。
折射耦合是通过调整光纤和激光束的入射角度，使得激光束在光纤内部发生折射，从而进入光纤。
无论是端面耦合还是内部耦合，都需要考虑到激光与光纤之间的匹配问题。
其中一个重要的参数是模式匹配，即激光束和光纤的模式（光束横截面的分布形态）之间的匹配程度。
若两者之间的模式匹配度较低，会导致能量损失和光损耗的增加。
此外，还需要注意光纤的对准精度、表面反射率等因素，以及
使用适当的耦合器件（如透镜、光栅等）来提高耦合效率。
综上所述，激光与光纤耦合是一种将激光能量传输到光纤中的过程。
通过端面耦合或内部耦合，合理选择耦合方式、匹配光纤和激光束的模式，以及优化光纤对准和耦合器件的设计，能够实现高效的激光与光纤之间的能量传输。
绿光半导体激光器单管合束及光纤耦合技术研究
绿光半导体激光器单管合束及光纤耦合技术研究摘要：近年来，随着我国经济的高速发展和科技的进步，光电器件与材料相关领域的研发不断取得新进展，性能得到明显强化，在各大领域得到广泛应用。
为进一步提高半导体激光功率，可以采用激光器单管合束及光纤耦合技术。
基于此，分析研究绿光半导体激光器单管合束及光纤耦合技术，对提高仪器总功率以及将其应用于更多领域有重要的现实意义。
关键词：绿光半导体激光器；单管合束；光纤耦合前言：利用合束技术可以使多个半导体激光器在光纤中进行耦合，由此形成半导体激光器的光学器件，保证激光的输出功率，提高激光束的质量。
目前，国内外已广泛使用多种红外波段的半导体激光器，广泛用于彩色显示、激光印刷、高密度光盘存储等领域，但目前对于可见光波段激光耦合模块尤其是绿光波段的研究还很少，因此，对绿光高功率半导体激光器光纤耦合模块进行深入研究，是当前光电器件与材料相关领域研发重点之一。
1半导体激光器光纤耦合模块研究半导体激光器技术已经相对成熟，由于其具有光束不均匀性、单元功率低等特点，在一定程度上限制其应用领域。
为保证半导体激光器的功率输出，需要对激光器进行多层叠加，这会一定程度上限制光束质量。
随着半导体耦合技术的不断发展和进步，通过使用半导体激光器进行合束，可以有效提升光束的质量，实现激光远距离柔性传输。
最早的光纤是20世纪50年代研制出来的，后来被人们逐渐推广使用。
在20世纪70年代，就有国外公司利用化学气相沉积法得到了损耗较低的光纤，随着半导体激光器的迅速发展和光纤耦合技术的发展，人们对不同类型的半导体激光器进行了大量的研究，并取得了大量的成果。
2半导体激光器非相干合束技术目前，半导体激光器的合束技术方法有两种：相干合束和非相干合束。
半导体激光器利用光束准直技术和聚焦耦合技术，使多个光束单元的耦合成为可能。
在相干合束技术的应用中，采用了相位控制方法，使激光阵列各发光元件产生同一波长的光束，从而达到相干合束。
光纤和半导体激光器耦合的实现方法
光纤和半导体激光器耦合的实现方法光纤和半导体激光器的耦合是将光纤与半导体激光器的光输出进行有效地连接的过程。
光纤和半导体激光器的耦合技术对于实现高效率和高品质的光纤通信、光纤传感和光纤激光器应用非常重要。
下面将介绍光纤和半导体激光器耦合的几种基本实现方法。
1.朴素方法：一种最简单的方法是将光纤粗略地对准激光器的外圆，然后用胶水或其他适当的导光材料固定光纤。
这种方法的缺点是会引入大量的光耦合损耗和模式不匹配损耗，导致耦合效率较低。
2.渐变折射率耦合：渐变折射率耦合是一种改进的方法，该方法通过在光纤末端表面使用透镜或折射率均匀变化的介质来改善耦合效率。
这种方法可以通过将光纤端面与激光器外表面之间的折射率差最小化来减少反射和模式相位匹配的不匹配，从而提高光纤和激光器之间的功率转移效率。
3.FC/APC连接：FC/APC（Angled Physical Contact）是一种常见的连接器类型，其端面倾斜以减少反射。
在光纤和激光器之间使用倾斜的光纤连接器，可以减少反射损耗，并提高耦合效率。
4.GRIN透镜耦合：GRIN（Graded-Index）透镜是一种折射率渐变的透镜，其折射率从中心向外缓慢减小。
将适当长度的GRIN透镜嵌入光纤末端，并将其与半导体激光器的激光输出区域对准，可以有效地将激光通过透镜耦合到光纤中。
GRIN透镜耦合可以提高耦合效率和模式匹配。
5.V-形槽耦合：V-形槽耦合是一种使用槽形结构来改善光纤和激光器之间耦合的方法。
在光纤末端和激光器之间创建V形槽，然后将光纤放置在槽中，可以实现更高的耦合效率。
这种方法可通过优化V形槽的形状、深度和角度，来减少反射和提高光耦合效率。
以上是光纤和半导体激光器耦合的几种基本实现方法。
在实际应用中，根据具体需求和要求，可以选用合适的耦合方法。
此外，还可以通过优化耦合尺寸、使用适当的光纤补偿器、调整光纤和激光器之间的距离等方法，进一步改善光纤和半导体激光器的耦合效果。
高亮度半导体激光器光纤耦合系统设计
高亮度半导体激光器光纤耦合系统设计摘要：本文介绍一种利用空间合束技术和光纤耦合技术将9只波长为915nm 单管芯半导体激光器高效率耦合进光纤中，制备出具有高功率、高亮度输出光纤耦合模块。
在使用光学软件进行模拟仿真后并通过实验验证，实验结果表明光纤耦合模块可以通过芯径105μm、数值孔径（NA）为0.22 的光纤输出大于110w 的功率，并且亮度达到 8.64MW/(cm2·sr).关键词:激光耦合; 激光准直; 激光合束; 半导体激光器1引言工业应用和光纤激光泵浦已经证明了对光纤耦合半导体激光器的需求增加，特别是新的固态器件-光纤激光系统，需要越来越高的功率、更高的亮度和单波长泵浦源。
光纤耦合激光半导体模块具有几乎对称的能量分布和高度的指向稳定性，是新型固态激光器件的最佳泵浦源之一。
由于近年来半导体单芯片发射极的输出功率从1W大大提高到15W，光纤耦合半导体模块的输出功率从30W提高到800nm到 980nm波长区域的200W左右。
例如，2014年，NLIGHT（美国）提出了一个新的元件封装，可以容纳多达18个发射体与偏振光束组合。
此封装包提供直径为105μm的130W光纤和直径为200μm的225W光纤，可以提高输出功率和亮度。
在2016年，DILAS（德国）报道了一个915nm单波长、传导冷却、光纤耦合的多棒模块，模块的输出功率为120W，核心直径为120μm到400μm［1-3］．在目前的工作中，我们选择半导体单管件来设计和实现商业上可用的高功率和高亮度仅基于9个单光束的光纤耦合模块。
使用空间光束结合以及光纤耦合技术，将105μm NA为0.22光纤耦合器半导体激光模块，封装在915nm封装中，并通过软件仿真和实验验证。
该模块在没有偏振光束组合技术的情况下，只能使用空间组合技术输出110W，因此模块的体积和工作电压较小。
2光学设计和光束准直2.1光学设计为了实现高功率和更高的亮度，空间光束组合是一种有效的方法，通常用于多发射模块，在不降低光束质量的情况下，从一根光纤中实现高功率光纤输出。
激光耦合器的工作原理
激光耦合器的工作原理
激光耦合器通常由两个或多个波导光栅组成，每个波导光栅都
与一个激光器相连。
当激光器发出光束时，光被耦合到波导光栅中，并在其中传播。
波导光栅之间的距离和光栅的参数被精确设计，以
实现光的干涉和耦合效果。
在激光耦合器中，激光器发出的光通过波导光栅耦合到光纤中。
波导光栅的设计使得光在不同波导之间发生干涉，从而实现了光的
耦合。
通过调节波导光栅的参数，可以实现不同激光器的光束在光
纤中的有效耦合，从而实现多个激光器的集成和耦合。
激光耦合器的工作原理基于精密的光学设计和控制，以实现高
效的光耦合效果。
它在光通信系统中起着至关重要的作用，可以实
现多个激光器的集成和耦合，从而提高光通信系统的性能和可靠性。
总之，激光耦合器的工作原理基于光的波导耦合和干涉效应，
通过精密的光学设计和控制，实现了多个激光器的光束在光纤中的
有效耦合，为光通信系统的高效运行提供了重要支持。
vcsel激光器与光纤的耦合
vcsel激光器与光纤的耦合
VCSel激光器（垂直腔面发射激光器）与光纤的耦合是光通信
和光传感应用中的重要技术。
VCSel激光器是一种垂直腔面发射激
光器，通常用于短距离高速数据传输和传感应用。
光纤是一种用于
传输光信号的柔性透明纤维。
VCSel激光器与光纤的耦合涉及将激
光器产生的光信号有效地耦合到光纤中，以便进行信号传输或传感。
首先，VCSel激光器与光纤的耦合可以通过透镜和光纤对准的
方式进行。
透镜可以用来聚焦激光器的光束，使其与光纤的输入端
对准，从而实现光的耦合。
此外，也可以使用光纤对准仪器来确保
激光器和光纤的对准精度，以提高耦合效率。
其次，耦合效率受到VCSel激光器和光纤之间的匹配程度的影响。
例如，激光器的发散角和光纤的模式匹配对耦合效率有重要影响。
为了提高耦合效率，可以采用适当设计的光耦合器件，如微透
镜阵列或光栅耦合器，以实现更好的模式匹配。
此外，耦合过程中的对齐精度和稳定性也是影响耦合效率的重
要因素。
对于高速数据传输应用，对齐精度要求高，需要采用精密
的自动对准系统来确保激光器和光纤的稳定对准。
最后，值得注意的是耦合过程中的光损耗问题。
由于光纤的损耗和反射等原因，耦合过程中会产生一定的光损耗，因此在实际应用中需要对耦合系统进行精确的优化，以最大限度地减小光损耗，提高耦合效率。
总的来说，VCSel激光器与光纤的耦合涉及到透镜对准、模式匹配、对齐精度和稳定性等多个方面的技术挑战，需要综合考虑这些因素并进行系统优化，以实现高效的光耦合。
大功率半导体激光器光纤耦合技术调研报告
大功率半导体激光器光纤耦合技术调研报告1．前言近年来，高功率光纤激光器因其优良的性能日益受到人们的重视和青睐，被广泛地应用于工业加工、空间光通信、医疗和军事等各个方面，其迅速发展在很大程度上得益于大功率高亮度半导体激光器技术的进步，大功率半导体激光光纤耦合技术一直是高功率光纤激光器技术的一项关键核心技术。
相反地，半导体激光器泵浦的高功率光纤激光器（DPFL）的发展也带动了大功率半导体激光器技术，尤其是大功率半导体激光光纤耦合技术的进步。
由于单管半导体激光器（LD）的输出功率受限于数瓦量级，远不能满足高功率光纤激光器泵浦源的要求，要获得更大输出功率须采用具有多个发光单元的激光二极管阵列（LD Array）。
按照结构形式的不同，激光二极管阵列分为线阵列（LD Bar）和面阵列（LD Stack），分别如图1(a)和(b)所示，其中LD Bar的输出功率一般在数十瓦至百瓦量级，而LD Stack的输出功率一般在数百瓦乃至上千瓦。
无论是单管LD还是LD Array，由其固有结构特点决定了半导体激光器具有光束发散角较大，输出光束光斑不对称，亮度不高等问题，给作为高功率光纤激光器泵浦源的实际应用带来很大困难和不便。
一个较好的解决方法是将半导体激光耦合进光纤输出，这样既可以利用光纤的柔性传输，增加使用的灵活性，又可以从根本上改善半导体激光器的输出光束质量。
Fig.1 （a）LD Bar 和（b）LD Stack大功率半导体激光器阵列光纤耦合技术作为一项高新技术，具有很高的技术含量，涉及半导体材料、纤维光学技术、微光学技术、微精细加工技术和耦合封装技术等关键单元技术。
目前为止，大功率半导体激光器阵列光纤耦合技术主要采用两条技术路线：光纤束耦合法和微光学系统耦合法。
下面将主要以LD Bar 光纤耦合技术为例，就该两种方法进行详细阐述。
2．大功率半导体激光器阵列光纤耦合技术2．1光纤束耦合法光纤束耦合法（又称光纤阵列耦合法）是早期使用的一种光纤耦合技术，具有结构简单明了、耦合效率高、各发光元的间隙不影响整体光束质量和成本低等优点。
激光二极管光纤耦合技术
包层 上加工 出Ｖ 结构 ，使激光 二极 管发射 的泵浦光从侧 型
面垂 直 入 射 后 ， 经Ｖ型槽 侧 面 反射 进 入 内包 层 中传 播 。
＼ ／＼ ＼
图２ Ｖ 型槽侧面耦合 系统结构示意 图
图４ 反射镜２ 上理想情况下的光束排列 图
５１ ２ １ ．。 东 通 信 技 术 ０ ６广 ０
公司利用该技 术结 合双 包层 有源 光纤，实现了最大达２ Ｗ ０
的 光 纤 激 光 输 出 。 其 原 理 如 图 ２ 示 ： 在 双 包 层 光 纤 的 内 所
ｌ ｍｉｒ ｒ ｒ ｏ ￣
ｃ ｎｉ ｔ ｒ￣ ｏ ｍ ａｏ
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图３多Ｌ 单管单根光纤的耦合结构示意图 Ｄ
成 ， 则其 光 束 质 量 为 ： Ｍ ￣ｏ ｌ× （／）ｍ】 【 。２ 门８ 。 】 ｒ Ｏ ＇ 【 ２ｃ ×Ｏｏ ／ ） ０ Ｘ ｃ ｔ １
：
样 ， 都 是 要 排 成 一 个 “ 结 构 ” ） 。 如 果 想 得 到 小 的 密
输 出截 面 ， 单 根 光 纤 的 芯 径 就 必 须 很 细 。 因此 ， Ｂ ａ 的 ｒ 数十个 Ｌ Ｄ发 光 元 在 慢 轴 方 向 上 常 常 也 必 须 单 个 地 聚 焦 进
圈 圈 困
是增大光纤对激光的接收角 。就 目前 的文献 资料 来看，柱
状 楔 形 微 透 镜 光 纤 耦 合 法 的 耦 合 效 率 最 高 ， 该 方 法经 仔 细
紧 密结构 的类 圆形光 束。之后 再 由一组透镜 （ ｏ ｕ ｉｇ Ｆ ｃ ｓｎ
ｌｎ ）将 这 组 光 束聚 焦 耦 合 到 一 根 光 纤 中去 。 ｅｓ
的光 纤 激 光 器 功 率 也 较 小 。 可 能 正 是 基 于 以 上 因 素 ， 这 种 耦 合 方 法 国 内 采 用 的 并不 多。
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DSDBR结构
SOA: Semiconductor Optical Amplifier
Alignment
光纤的分类
多模光纤(Multi Mode fiber)
优点: 纤芯直径大(62.5μm)，易于光信号的耦合。 缺点：模间色散大，不利于远距离传输。 Oclaro的应用： HPL
数值孔径是多模光纤的重要参数，它表征光纤端面接收光的能力，其取值的 大小要兼顾光纤接收光的能力和对模式色散的影响。CCITT 建议多模光纤的 数值孔径取值范围为0.18～0.23，其对应的光纤端面接收角θc=10°～13°。
HPL Lens Alignment -Collimating
FAC SAC
Thanks
DSDBR Lens Alignment -Collimating
Aspherical Lens
Single Mode Fiber Alignment -Focusing
When we need to couple laser into a single-mode fiber, we move from the ray optics picture in which we have worked to this point to a Gaussian modematching problem.
Fiber Modes
Laser Modes
The coupling efficiency depends upon the overlap integral of the Gaussian mode of the input laser beam and the nearly Gaussian fundamental mode of the fiber.
第二传输窗口
瑞利散射 紫外吸收
850 1300
第三传输窗口
红外吸收
0.2
1550
波 长 (nm)
激光
激光的特点：单色性好,方向性好；相 干性好；亮度高 基本沿某一条直线传播,通常发散角限 制在10-6球面度量级的立体角内.
激光器的工作原理
受激辐射
E2
h
发光前
发光后
E1
h E2 E1
f1
f2
Multimode Fiber Alignment -Focusing
y1
ө
y2
The radius of the fiber core will be y2.We will have to make sure that the lens focuses to a spot size less than this parameter. An even more important restriction is that the angle from the lens to the fiber ө must be less than the NA of the fiber.
Laser Diode Training
Kamans Zhou Jessica Hu
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation --Laser
Light: 光 Amplification: 放大、增强
Stimulate： 刺激、激发
Emission：发射、放射 Radiation：辐射
半导体激光器-Laser Diode
通信用半导体激光器（Transmitter）
DSDBR/TCMZ/DML
工业用大功率半导体激光器
High power laser Pump
光 纤 损 耗 谱 特 性
2.5
第一传输窗口
损 耗 (dB/km)
h h
当外来光子的频率满足 h E2 E1时，使原子中处于高 能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。
激光谐振腔
Байду номын сангаас
谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率 和方向的光加以抑制。 光学谐振腔的作用有：①提供反馈能量，②选择光波的方向和频率。 谐振腔内可能存在的频率和方向称为本征模，按频率区分的称纵模，按方向区 分的称横模。两反射镜的曲率半径和间距（腔长）决定了谐振腔对本征模的限 制情况。不同类型的谐振腔有不同的模式结构和限模特性。
单模光纤(Single Mode Fiber)
只有一个模式信号传播 无模间色散， 适用于远距离通信传输。 Oclaro 应用：DSDBR Fiber, 980Fiber, Rx Fiber etc.
NA- Numerical Aperture
入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度 范围内的入射光才可以。这个角度就称为光纤的数值孔径。