基于ZEMAX高功率半导体激光器光纤耦合设计
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%。
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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%。
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