半导体激光列阵与双包层光纤耦合技术的研究

论文摘要

由于双包层光纤的特殊结构的优异性能，近年来双包层光纤激光器发展迅速，越来越受到人们的重视。大功率的双包层激光器和放大器在光通信，自由空间通信系统，激光医疗、工业加工以及国防军事等方面有着广泛的需求和应用。双包层光纤激光器的发展带来了一项新的激光泵浦技术，即包层泵浦技术，它的核心是如何最大限度的提高从半导体激光器到双包层光纤内包层的耦合效率。此类大功率的双包层激光器和放大器的泵浦源一般为激光二极管阵列。因此，如何将泵浦光高效的耦合进双包层光纤（DCF）中便成为了决定大功率激光器和放大器性能的技术关键。双包层光纤激光器的泵浦耦合技术一般可以分为两种，端面耦合和侧面耦合技术。本文首先论述了双包层光纤激光器的发展现状以及泵浦耦合技术，接着分析了作为泵浦源的半导体激光器及其列阵的结构特点以及其光场分布，就远场特性进行了重点分析。分析了双包层光纤的结构特点、着重分析了内包层结构为圆形和矩形时双包层光纤的吸收特性，理论推导了光纤耦合公式及应遵循的耦合条件，对激光和光纤机械对准误差，包括轴向误差、角度误差及纵向误差造成的光纤耦合的影响进行了分析并建立理论模型进行仿真得出结果。通过比较分析各种耦合结构，由端面耦合的不足引出侧面耦合，对侧面耦合几种方式的比较分析提出一种新型的制作V型槽进行侧面泵浦的工艺方法。即在光纤预制棒上进行刻槽，然后对侧面已刻出一长条V型槽的预制棒进行拉丝。针对这种新的侧面泵浦方法的耦合效率进行了理论的分析和计算。通过求交迭场的积分求出这种新的侧面泵浦方法的耦合效率，并对激光二极管阵列距离V型槽的位置以及V型槽所开的角度进行了优化。由仿真结果确定激光二极管阵列与光纤相对位置对耦合效率至关重要，在V型槽倾角一定的情况下，最佳的距离应为18um左右。在激光二极管阵列与光纤相对位置已经固定的情况下，V型槽的倾角最好应在4°-5°，而且不应大于10°，否则会引起耦合效率的急剧下降。这些结论为随后进行的激光二极管阵列的侧面泵浦实验提供了理论上的依据和指导。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 双包层光纤激光器的特点
• 1.2 包层泵浦光纤激光器的研究进展
• 1.2.1 国外在双包层光纤激光器方面的研究进展
• 1.2.2 国内在双包层光纤激光器方面的研究进展
• 1.3 包层泵浦光纤激光器的应用
• 1.4 包层泵浦光纤激光器的关键技术
• 1.4.1 双包层光纤技术
• 1.4.2 双包层光纤激光器的泵浦源技术要求
• 1.4.3 双包层光纤激光器的泵浦耦合技术
• 1.5 论文的主要内容
• 2 半导体激光器的特性分析
• 2.1 半导体激光器
• 2.1.1 半导体激光器的特点
• 2.1.2 高功率半导体激光器的光束特性
• 2.2 半导体激光器列阵的特性分析
• 2.2.1 半导体激光器列阵的结构
• 2.2.2 半导体激光器列阵的效率
• 2.2.3 半导体激光器列阵的远场特性
• 3 双包层光纤的特性分析
• 3.1 双包层光纤的结构
• 3.2 光纤的数值孔径
• 3.3 双包层光纤的分类
• 3.4 不同内包层形状对吸收效率的影响
• 3.4.1 内包层形状为圆形的双包层光纤吸收特性
• 3.4.2 内包层形状为矩形的双包层光纤吸收特性
• 4 大功率半导体激光器列阵与光纤耦合的理论分析
• 4.1 光纤耦合应遵循的定理
• 4.2 光纤耦合公式的推导
• 4.3 半导体激光器与光纤的模场耦合理论
• 4.4 半导体激光器与光纤的光线耦合理论
• 4.5 耦合系统有关光反馈的计算
• 4.6 激光与光纤机械对准误差对光纤耦合的影响
• 4.6.1 轴向误差d的影响
• 4.6.2 纵向间隙s的影响
• 4.6.3 角度误差θ的影响
• 5 列阵半导体激光器耦合双包层光纤的方法研究
• 5.1 端面耦合技术
• 5.1.1 透镜直接耦合
• 5.1.2 光纤端面熔接耦合
• 5.1.3 锥导管耦合
• 5.2 侧面耦合技术
• 5.2.1 熔接侧面泵浦耦合方式
• 5.2.2 V型槽侧面泵浦耦合
• 5.2.3 嵌入反射镜式泵浦耦合
• 5.2.4 角度磨抛侧面泵浦耦合
• 5.3 各种耦合方式的比较讨论
• 5.4 一种新的阵列半导体激光器侧面纵向v型槽耦合双包层光纤的方法
• 5.4.1 理论分析
• 5.4.2 仿真结果及讨论
• 5.4.3 结论
• 6 总结
• 参考文献
• 作者简历