激光与光纤耦合技术

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。

光纤耦合原理1. 引言光纤耦合是指将光束从一个光纤通过某种耦合方式转移到另一个光纤的过程。

它在光纤通信、光纤传感、光纤激光器等领域都有重要应用。

光纤耦合的质量直接影响整个光纤系统的性能和稳定性。

在光纤耦合中，光纤是一种细长的介质导波管，可以将光束限制在其芯层内传输，并且在芯层与外界环境之间有较大的折射率差，从而实现光束的高效传输。

但是由于光纤的直径非常细小，为了实现不同光纤之间的耦合，通常需要借助光纤耦合器。

光纤耦合器是将光纤之间的光束相互耦合的装置，也是光纤传输系统的关键部件。

它的主要目标是最大程度地提高光的传输效率和完整性。

一个光纤耦合器通常包括入口光纤、耦合结构和出口光纤。

它的工作原理是将光束从一根光纤通过耦合结构耦合到另一根光纤中。

2. 光纤耦合器的类型根据耦合结构的不同，光纤耦合器可以分为多种类型，包括直接耦合、光栅耦合和透镜耦合等。

下面将对其中的一些常见类型进行详细介绍。

2.1 直接耦合直接耦合是最简单、最常见的一种光纤耦合方式，通常用于单模光纤间的耦合。

这种耦合方式主要通过光纤之间的接触来实现。

根据接触方式的不同，直接耦合又可以分为接触式直接耦合和非接触式直接耦合。

接触式直接耦合是将两根光纤直接接触在一起，使得光束能够从一根光纤中穿过，进入另一根光纤中。

这种耦合方式的优点是简单易行，成本低廉。

但是它的缺点是耦合效率低、稳定性差，容易受到污染和振动的影响。

非接触式直接耦合通过将两根光纤靠近到足够靠近的距离，使得光束能够在两根光纤之间传输。

这种耦合方式的优点是免去了接触式耦合的缺点，能够保持较高的耦合效率和稳定性。

但是它的缺点是需要借助辅助设备，如透镜、光纤阵列等。

2.2 光栅耦合光栅耦合是一种基于光栅结构的光纤耦合方式，通常用于多模光纤和波导光栅封装件之间的耦合。

这种耦合方式主要通过光栅的表面形态变化将光束反射或折射到另一根光纤中。

光栅耦合的原理是利用光栅表面的周期性结构，使得光束能够在光栅表面发生衍射，从而改变光束的传播方向。

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。

光纤耦合激光器的原理
光纤耦合激光器是一种通过光纤传递激光信号的装置。

它的工作原理主要包括光纤输入、光纤耦合和激光器三个部分。

首先，光纤输入部分是将激光信号引入光纤的过程。

一般来说，使用光纤末端对准激光器的发射区域，通过一系列光学元件进行对准和调节，将激光信号引导入光纤中。

其次，光纤耦合是将激光信号从光纤中耦合至激光器的过程。

这一步骤中，需要使用一些特殊的光纤连接器或耦合器件，将光纤与激光器适当地连接起来，使得激光信号能够在光纤和激光器之间高效地传输。

最后，激光器是光纤耦合激光器的核心部分。

激光器可以通过注入电流或提供适当的输入能量来激发放大介质，产生一束高强度、单色、方向性良好的激光光束。

这个激光光束经过光纤耦合并传输到目标位置，实现了光纤耦合激光器的最终应用。

光纤耦合激光器具有结构紧凑、功率稳定、传输距离远等优点，被广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。

基于ZEMAX的激光与多模光纤耦合系统设计石科仁;朱长青【摘要】针对半导体激光器远场光强分布不对称的特点,利用ZEMAX软件的近轴平面XY实现对激光器快慢轴不同发散角的模拟.依据多模光纤的数值孔径和芯径的要求,结合几何光学进行光线追迹分析,并用ZEMAX进行了参数优化,得到了耦合系统的三维视图,系统像面光斑尺寸满足多模光纤耦合要求.最后,对耦合系统进行了测试实验.【期刊名称】《光通信技术》【年(卷),期】2016(040)005【总页数】3页(P43-45)【关键词】半导体激光器;耦合系统;ZEMAX;几何光学;多模光纤【作者】石科仁;朱长青【作者单位】军械工程学院车辆与电气工程系,石家庄050003;军械工程学院车辆与电气工程系,石家庄050003【正文语种】中文【中图分类】TN36;O435.1半导体激光器体积小，重量较轻，光电转换效率高，在半导体激光光纤耦合技术领域应用广泛[1]。

但是，由于半导体激光器的有源层宽厚比相差太大，导致其远场光强分布不对称：光束在垂直于PN结方向（即快轴方向）发散角远大于平行于PN结方向（即慢轴方向）的发散角，这一特点为激光器的设计与仿真模拟增加了难度。

激光与多模光纤的耦合方式包括光纤端面制成微透镜的方式和分立的微光学元件的方式两种[2]。

大多数耦合装置采用球面微透镜进行耦合，但考虑到透镜个数较大导致的系统体积的增加，以及先准直后聚焦过程导致的光功率的损耗，本文拟采用圆柱形透镜将激光束耦合进多模光纤，简化了耦合过程，减少了能量损失。

我们课题组购置的半导体激光器的光源宽度为（1×100）μm，快轴的发散角约为30°，慢轴发散角接近6°，而且在近轴像面上存在像差。

基于此，本文采用ZEMAX软件的近轴XY面设计。

首先确定一个初始的发散角，让其与慢轴发散角6°相同，根据数值孔径计算公式NA=nsinα，物空间数值孔径为0.0523，光束类型选择高斯光束，波长选择1.03μm。

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。

一种自由空间激光耦合至单模光纤的装置及方法自由空间激光耦合至单模光纤是现代光通信和激光技术中的重要组成部分。

在光通信系统中，为了保证光信号的传输质量和稳定性，需要将自由空间激光有效地耦合至单模光纤中。

这涉及到一种特殊的装置和方法，以确保激光能够高效地进入光纤，并在其中传输。

本文将深入探讨一种用于实现自由空间激光耦合至单模光纤的装置及方法，并对其进行全面评估和讨论。

1. 装置原理及结构针对自由空间激光耦合至单模光纤的需求，研究人员设计了一种特殊的装置，以实现高效的光耦合。

该装置通常由激光源、聚焦系统、耦合透镜、光纤对准器等组成。

激光源产生高质量的激光光束，聚焦系统将光束聚焦到耦合透镜上，然后通过耦合透镜将光束有效地耦合至单模光纤中。

光纤对准器用于确保光束能够准确地对准光纤的接口，从而最大限度地提高耦合效率。

2. 方法步骤及优化在实际应用中，为了实现高效的自由空间激光耦合至单模光纤，需要遵循一系列方法步骤并进行优化。

需要对激光源进行精确的调节和控制，以确保光束质量和稳定性。

通过精密的聚焦系统将光束聚焦到耦合透镜上，并通过优化聚焦参数来控制光束的大小和形状。

接下来，通过精确调节耦合透镜的位置和倾斜角度，使其能够将光束高效地耦合至单模光纤中。

通过光纤对准器的辅助，对准光束和光纤的接口，以确保光束能够完全地进入光纤中，并最大限度地减少耦合损耗。

3. 个人观点与理解针对自由空间激光耦合至单模光纤的装置及方法，我认为关键在于对光束的精确控制和对光纤的精确定位。

只有在这些方面做到足够的精度和稳定性，才能实现高效的光耦合。

随着光通信和激光技术的不断发展，未来还可以进一步优化装置结构和方法步骤，以实现更加高效和稳定的自由空间激光耦合至单模光纤。

4. 总结与展望通过本文的讨论，我们对一种用于实现自由空间激光耦合至单模光纤的装置及方法有了全面的了解。

在实际应用中，我们需要综合考虑装置结构和方法步骤，通过精密的操作和优化，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。

空间激光与单模光纤和光子晶体光纤的耦合效率陈雪坤;张璐;吴志勇【摘要】为了设计最优光纤耦合系统,利用高斯模场近似单模阶跃光纤的模场和大模面积光子晶体光纤的模场,推导出了理想情况下空间激光与这两种光纤的耦合效率解析表达式以及光纤端面相对于耦合系统存在横向偏移和端面倾斜时的耦合效率解析表达式.基于上述理论表达式计算了空间激光与光纤的耦合效率,并通过实验验证了此理论表达式的有效性.理论计算和实验均证实了单模阶跃光纤对于横向偏移更敏感,当横向偏移量等于单模光纤的纤芯半径时所对应的耦合效率只有20.25％,为理论最大值的1/4；而大模面积光子晶体光纤对于端面倾斜更加敏感,当端面倾斜2°时对应的耦合效率只有40.5％,为理论最大值的1/2.所提出理论表达式和实验方法完全可以为设计光纤耦合系统提供准确的参数.【期刊名称】《中国光学》【年(卷),期】2013(006)002【总页数】8页(P208-215)【关键词】单模光纤;光子晶体光纤;空间激光;光纤耦合;耦合效率;横向偏移;端面倾斜【作者】陈雪坤;张璐;吴志勇【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院大学,北京100049;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院大学,北京100049;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033【正文语种】中文【中图分类】TN25;TN249空间光与光纤的耦合技术是激光雷达系统、自由空间光通信系统和恒星干涉仪系统中的关键和难点技术。

在这些系统中高效率的空间光耦合是实现高性能系统的前提。

空间光与光纤的耦合效率通常受耦合模场不匹配、横向偏移、端面倾斜和系统随机角抖动[1-4]等因素的影响。

对于星际自由空间光通信，激光经过几千公里的传输后其光斑有km量级的直径，而接收光学系统的口径不过cm量级（一般不超过20 cm），因此接收的光波完全可近似为平面波。