摘 要

近几年来，随着激光产业的飞速发展，大功率激光器与全光纤激光器越来越受到人们的重视和青睐，光纤耦合方式又是激光器中的重要组成部分，一个良好的光纤耦合方式可以减少能量的损耗，因此光纤耦合系统的研究也变得重中之重。

本文根据倒锥形光纤耦合原理与激光器光束模场耦合的相关知识，设计了一个新的光纤耦合系统，即前端为倒锥形光纤后端为梯度折射率球透镜光纤，此种结构拥有梯度折射率球透镜与倒锥形光纤的优点。

本文通过相关公式推导与仿真进行理论分析，使激光器发出的光束先通过倒锥形光纤，通过倒锥形光纤的聚光效果，使其变光斑直径变小，再通过梯度折射率与球透镜的双重聚焦作用将光斑半径进一步减小，使其小于单模光纤直径，来达到半导体激光器与单模光纤高效率耦合的目的。

本文的特色及创新在于：设计了一个光纤耦合系统，通过仿真与公式推导得出其可行结论，该光纤耦合系统主要应用于大芯径大功率激光器与单模光纤耦合的情况，可以经过相应的计算得出相应参数，实现高效耦合的目的。

关键词：锥形光纤；光纤耦合；梯度折射率；球透镜

Abstract

In recent years, with the rapid development of the laser industry, high-power lasers and all-fiber lasers have attracted more and more attention from people. Fiber coupling is an important part of lasers. A good fiber coupling method can reduce energy. Loss, so the study of fiber-coupled systems has also become a top priority.

In this paper, a new fiber coupling system is designed based on the knowledge of the inverse-tapered fiber coupling principle and the mode field coupling of the laser beam. It is a gradient-index ball lens fiber with a gradient refractive index. Rate ball lens and inverted cone fiber advantages.

In this paper, the theoretical analysis of the relevant formula derivation and simulation, the laser beam emitted by the laser first through the inverted conical fiber, through the concentrating effect of the inverted cone fiber, making the spot diameter becomes smaller, and then through the gradient refractive index and the ball lens The double focusing effect further reduces the radius of the spot to make it smaller than the diameter of the single mode fiber to achieve the purpose of coupling the semiconductor laser and the single mode fiber with high efficiency.

The features and innovations of this paper are: Design a fiber coupling system and derive its feasible conclusion through simulation and formula derivation. The fiber coupling system is mainly applied to the coupling of large core high power laser and single mode fiber, and can be passed through correspondingly. The corresponding parameters are calculated and the purpose of efficient coupling is achieved.

Key Words：Fiber taper;Fiber coupling;Gradient index; Ball lens

目 录

第1章 绪论 1

1.1目的及意义 1

1.2光纤耦合技术 1

1.2.1光纤耦合技术的发展 1

1.2.2光纤耦合技术的应用 2

1.2.3 光纤耦合技术的优点 2

1.2.4国内外光纤耦合技术的现状 3

1.3 主要研究内容 4

第2章 光纤耦合方法 5

2.1光纤直接耦合 5

2.2光纤端面微透镜耦合 5

2.3间接耦合 11

2.4本章小结 13

第3章 梯度折射率圆球端倒锥形光纤耦合 14

3.1 总体耦合结构 14

3.2倒锥形光纤耦合 14

3.2.1倒锥形光纤 14

3.2.2倒锥形光纤结构 14

3.2.3理论分析 15

3.3 梯度折射率光纤与球透镜 20

3.3.1梯度折射率光纤 20

3.3.2梯度折射率光纤与球透镜结合的耦合结构 20

3.3.3 理论分析 20

3.4本章小结 25

第4章 结论与展望 26

参考文献 27

致 谢 29

第1章 绪论

1.1目的及意义

自1960年第一个红宝石激光器的诞生，在这短短的半个多世纪的时间，激光器有了突飞猛进的发展，激光器朝着大功率，高效率，超长工作时间，高精度等方面发展。近年来，传统固体激光器寿命短，光束质量无法满足需求的缺点被放大，无法满足人们的需求，而半导体激光器以其高寿命，高光束强度和其广阔的发展前景进入了人们的视野。^[1]只有持有一个高效率的光纤耦合技术，才能做出一个具有耦合效率高，集成度强，操作简洁等优点的光纤耦合器，只有这样，才能使高功率半导体激光器不断发展，输出功率才能不断提高，才能更好的在多方面领域为世界人民服务。而对光纤端面进行微处理，既可以减少封装的难度，降低成本，又可以实现高效率的光纤耦合。

本课题的拟在对光纤端部进行设计和制作微球用于光束耦合，可以对当前的光纤耦合技术进行改进，可大大降低系统的复杂程度，减少光纤耦合中损耗的光能，为国内大功率半导体激光器的研究提供一定的研究意义。

1.2光纤耦合技术

光纤耦合技术是决定半导体激光器的应用范围及成本的一项重要的技术，及将于半导体激光器好坏的评判标准之一—光与光转换效率直接挂钩。近年来，随着大功率半导体激光器的不断发展，耦合过程变得越来越简单，耦合方式也日益多元化，使得光纤耦合技术得到更广泛的应用^[1]。

1.2.1光纤耦合技术的发展

光纤的出现是整个人类社会的重大改变其直接影响到了现今社会重中之重的通信领域与持续不断发展的传输能量领域。光纤技术被普遍认为是最具发展前景，拥有上升潜力的新技术,近年来在国内外受到广泛关注,发展十分迅速。

最早在1965年，英国学者C.K.Kao有了将光学纤维作为传输装置来传输信息和能量的想法，并做出了相应的实验，但由于当时的光纤损耗实在太高，根本无法进行有效地传输，因此当时的想法被认为是在做无用功。

1973年，由于大量的研究及光纤自身的发展，美国康宁公司已经将光纤损耗降到3dB/km,此时光纤耦合技术与激光器结合成为了主流研究方向。

1978年，第一条商业使用的光纤通线在美国亚特兰大出现，但此时通信领域的功率很小，光纤耦合技术还未得到重视。而随着人们对大功率输出的需求不断增大，一个高效耦合的光纤耦合技术的出现迫在眉睫。

1980年，日本的M.Sasaki所研究的锥形半球端面成功使半导体激光器发出的激光与单模光纤耦合，且耦合效率高达35%。这拉开了光纤耦合技术革新的序幕，在随后的十几年中光纤耦合技术不断地发展，越来越多的针对多模光纤与单模光纤的耦合技术如雨后春笋一般涌出，并且耦合效率也在逐步提高。在2003年，使用聚焦透镜将激光通过双光束干涉原理耦合进单模光纤的研究中，其耦合效率高达91%。

当今阶段随着半导体激光器的不断研究与发展，随着人类对其功能多样化与高效化的要求，其与光纤耦合需要更加紧密的结合，使得光纤耦合技术在整个光纤领域与激光领域的地位得到了显著提升。例如通信领域中,其可以让半导体激光器在进行高效传能的过程中变得更加稳定，更为高效，传输距离更长，范围更广；又如，当LD作为泵浦源时，一个好的光纤耦合技术所具备的高精度，低损耗的特性可以获得更好的传输效率，从而更快更好的进行能量传输^[2]。

目前在全球范围内，生产光纤耦合器件的企业规模约为100家，,其中绝大部分集中在硅谷、德国、日本和台湾等国家和地区，而国内耦合技术处在不断研究与高速发展阶段。

1.2.2光纤耦合技术的应用

近年来，光纤耦合技术主要应用于大功率半导体激光器于大功率全光纤激光器,而且随着相关技术的发展，日趋活跃。

1. 光纤耦合半导体激光器^[3]

现阶段，光纤耦合的半导体激光器主要制作成泵浦源来应用在高功率的半导体激光器与光纤激光器中，其在工业方面与医疗方面有着不俗的应用。如在手机壳上进行激光打标异或是在车辆加工上进行激光焊接，再有对一些疾病进行激光治疗，激光美容等方面都有着一定的用武之地。在生物应用方面，激光培育也在火热的研究与应用中。此外，其传输性质使卫星通信领域有了长足的进步。

1. 光纤耦合光纤激光器

区别于光纤耦合半导体激光器，其主要用在传感通信的相关领域，在光通光，传感与光谱光声分析等有着重大建树。并且其还在军用方面有着一定的地位，激光武器的研制与更新变与它的发展密不可分，如激光制导，激光雷达。

1.2.3 光纤耦合技术的优点

由于半导体激光器对温度环境异常敏感，对驱动电源有着超高要求，使其应用前景在有着光导不对称性和超高发散角的结构缺陷下，受到了很大限制。

而将半导体激光器于光纤耦合技术相结合，不仅增加了激光器的应用范围和前景，而且为由于结构缺陷引起的输出光束的不对称性提供了明确的解决方案。它在减小了发散角同时还可以简便地实现多个激光器的组合输出，使整个半导体激光器产业的总功率的提升有了根本的改变。

为了尽可能的提高光源的耦合效率,耦合系统需满足以下条件：^[4-5]

1. 高耦合效率。当半导体激光器的输出恒定时，高耦合效率意味着输出光能量稳定并且光纤传感系统的检测灵敏度高。
2. 低反射。反射光将对整个光纤耦合系统产生重大影响，导致诸如半导体激光器的输出功率的恒定抖动和激射波长漂移之类的问题。 这将对激光的工作产生严重的后果。

（3）大于1 dB的失调容差。当在耦合系统和半导体激光器之间发生轴向，横向，横

向和角度位移时，耦合效率由于最大值1 dB的位置偏移而减小，它被定义为光耦合系统的1 dB偏移容限。 由于耦合系统可能具有较大的位置偏差，所以没有必要在在结构方面锱铢必较，因此可以采用结构简单、定位精度相对不高的低成本封装技术来节省成本。

（4）制作简便。耦合技术是一项实用技术，将应用到大型工业加工，流水线生产，因此从生产角度考虑其制作必须简洁，无需特殊设备、制作重复性好，需要在效率与工艺上进行平衡。此外，还要求耦合系统的结构要尽可能的简单、小型化，便于商业生产，而且要拥有高稳定性。

1.2.4国内外光纤耦合技术的现状

在研究方面：

2010年，德国的C.Jauregui研究出了一种锥形石英管结构的侧泵性光电耦合器，其耐受功率突破了86 w，且耦合效率也超过了80%。

2011年和2013年，清华大学齐晓琪等人分别报道了7×1光泵浦光电耦合器，耐受性分别为1032 W和3.01 kW。科学家们改进了输入纤维束的方法，实现了96.8％的耦合效率。

2012年，德国的Thomas报道了一个耐受功率达到400 w，耦合效率达到90%的6×1侧泵性光电耦合器，其制作工艺复杂，需要拉锥，贴合，熔接等多项操作，因此不利于商业化生产^[6]。

2013年，肖起荣等人报道了一个耦合效率超过96%的侧泵性光电耦合器，但其耐受性一般，单臂最高可承受功率约200 w。

2015 年，国防科技大学的周航等人通过进一步的研究，研究出了一种耐受功率3.8kW的7×1泵浦光耦合器，这种光耦合器实现了中国公开报道的 N×1泵光耦合器的最高耐久性水平，也是世界的最高水平^[7]。

在商品化方面：

IPG公司和ITF公司都是可以制造能够承受高功率输出的国外制造商。 IPG的能量合成器是最好的，可承受50kW总功率的输出，但它对中国是禁运的；在中国，市场上广泛使用的（6 1）×1光纤耦合器是郎光所制造的。该耦合器可承受1200 W的总泵功率，单臂可承受大约200 W的功率。

国外千瓦级半导体激光器经过多年的发展，已经基本实现大规模商业化。其的商业光纤耦合半导体激光器最大激光功率已经达到10kw，聚焦光斑尺寸为0.4mm×3.0mm，重量却只有18kg。而国内的千瓦级激光器商业化才刚刚起步。

目前国内在商品化方面仍有很大缺陷与世界前列仍有一定差距，但在实验研究方面，已达到世界前列水平，相信随着研究的不断推进，国内很快可以打破禁运与垄断，实现此领域的国际性发展。

1.3 主要研究内容

本课题的拟在对光纤端部进行设计和制作微球用于光束耦合，可以对当前的光纤耦合技术进行改进，可大大降低系统的复杂程度，减少光纤耦合中损耗的光能，为国内大功率半导体激光器的研究提供一定的研究意义。

第一章为绪论，主要对研究的目的及意义进行简短的说明，对光纤耦合技术的发展、优点、应用及现状进行了一定的介绍。

第二章为光纤耦合方法，主要介绍单管耦合的几类光纤耦合方法，包括直接耦合与间接耦合。直接耦合包括光纤直接耦合与光纤端面微透镜耦合，其主要对圆球形微透镜与柱状楔形微透镜进行了分析及仿真；间接耦合包括自聚焦透镜，柱透镜，组合透镜等。

第三章设计了一种新的单模光纤耦合方案，即为梯度折射率球透镜与倒锥形光纤结合的光纤耦合系统。并对其可行性进行理论分析与仿真。

第四章为结论，即给出了设计的单模光纤耦合方案的可行性的结论，并根据所研究的内容进行展望和延伸。

第2章 光纤耦合方法

光纤耦合方法可以不经过任何处理的光纤直接耦合，对端面进行处理的微透镜耦合和在激光器与光纤间加入其它光学器件的间接耦合。

2.1光纤直接耦合

光纤直接耦合是不对端面进行微透镜的复杂操作，只是将普通处理的平行端端面直接与半导体激光器的发光面相对，但由于激光器模场与光纤严重不匹配，因此最高耦合效率极低，只有20%左右。此种方式损失了大量光能，在现实中极少应用。图2.1即为光纤直接耦合示意图^[8]。

LD

光纤

图2.1 光纤直接耦合

2.2光纤端面微透镜耦合

为了提高耦合效率，人们对光纤端面进行研磨熔接等处理，使其端面成为一个微透镜，光纤端面微透镜耦合^[9]。在对光纤进行端面处理后，有着体积小，制作容易，价格低廉等优点，耦合效率相对于光纤直接耦合方法有了很大的提高，是目前最普遍的光纤耦合系统。

光纤端面的处理方法其根本思想在与通过对端面的处理来增加接受角，来提高耦合效率。常见的有圆锥微透镜，圆球形微透镜，铲形微透镜和柱状楔形微透镜。

（1）圆锥微透镜耦合

大部分锥形端面纤维是通过熔融纤维而制备的，光纤端部直径的线性变化是纤维长度的函数。如图2.2。

图2.2 锥形微透镜的光路耦合简图

设锥形端的半径为，平行端光纤半径为，光以角入射到光纤，在前端端面发生折射后又以角入射到芯包分界面，由图2.2可知由于界面是倾斜的面，角大于角，如果锥体的长度, 则可近似得出公式:

（2.1）

通过类推，可以得出锥形端面孔径角与平端光纤的孔径角的关系为:

（2.2）

可以认为锥形端面光纤的数值孔径NA是平行端端面光纤倍，如果想让耦合效率进一步的提升，则需要在锥形纤维的端部制造高透射率的长椭圆体微透镜，这样最低耦合损耗将进一步降低，可降至2.5dB。锥形光纤制作方便，体积小，价格低廉。对于多模光纤来说，精密的圆锥形端面可将耦合效率由原本直接耦合的24%，提高至90%以上^[8-11]。但是这种方法有一个先决条件，要求光纤锥面的直径必须比激光器的发光面大，而单模光纤无法满足这一条件，为此人们又想出了倒锥形的方法。倒锥形光纤将在下一章详细介绍。

（2）圆球形微透镜耦合

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