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高功率半导体激光整形及光纤耦合系统设计

于贺  
【摘要】:由于半导体激光器与其他激光器相比具有体积小,寿命长,电-光转化效率高,可靠性强等优点在近年来得到广泛应用。但是由于半导体激光器自身有源层结构的特点,其输出光束在二维方向上对称性很差,快慢轴方向上的发散角和发光宽度都有较大差异,从而导致快慢轴光束质量差别较大,对直接应用半导体激光器造成了限制。因此研制高效的光束整形系统匀化光束质量进行光纤耦合,从光纤中输出的高亮度,高光束质量的激光具有极大意义,并且光纤耦合模块已逐步应用于工业加工,激光泵浦,生物医学,光纤通信等各个方面。本论文研究的是针对mini巴条在快轴方向叠加起来的叠阵做为光源,对光纤耦合输出半导体激光器的已报导的研究方法进行调研分析,设计紧凑的光束整形系统,利用偏振合束和波长合束技术提高光纤耦合设计系统的功率,获得大功率激光输出,本论文的主要研究内容可划分为以下几个方面。(1)本论文从半导体激光器的光束准直到光束整形与合束技术等方面进行了论述,介绍了准直、整形与合束的方式方法。(2)本文光纤耦合系统的光源采用由mini巴条组成的半导体激光叠阵,利用压缩、旋转重排的方法,设计中空梯形棱镜和平行四边形平板压缩光束棱镜去压窄光宽提高光束质量,然后用直角棱镜进行旋转重排实现快慢轴光束质量的匀化,将8个mini巴条组成的叠阵耦合进芯径为200μm,数值孔径为0.22的光纤中。(3)为了进一步简化光束整形系统,设计一镜式压缩光束的梯形棱镜,此棱镜是由5个四边形棱镜拼接而成,利用光束全内反射作用,将半导体激光叠阵发出光束均匀地压缩在快轴方向上,实现光束质量的提高。(4)为了提高光纤耦合输出功率,并针对以往合束技术进行改善,设计阶梯偏振合束镜,将偏振合束和光束整形相结合,实现光束整形的同时将功率加倍。为了获得高功率光纤耦合输出,将波长合束和偏振合束相结合,用8组半导体激光叠阵(波长分别为808,880,938和980nm)先进行波长合束再进行偏振合束,在光束质量不变的情况下将功率提高原来的8倍,设置高透膜、高反膜,输出功率2253.5W,光-光转化效率88%。


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