基于光纖耦合技術(shù)的遠(yuǎn)距離紅外激光照明器*

劉殿雙+++韓雪冰+++楊雯皓+++張文靜+++樸景利

摘 要：半導(dǎo)體激光器直接作為紅外激光照明器光源使用，會(huì)在光斑及光束方面存在較大缺陷，而通過(guò)結(jié)合光纖耦合技術(shù)，可以完美的解決此類問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高功率、高均勻性的激光輸出。本文通過(guò)分析光纖耦合技術(shù)的原理及其與半導(dǎo)體激光器結(jié)合的機(jī)理，并經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了光纖耦合技術(shù)可以大幅改善半導(dǎo)體激光器的激光輸出質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：紅外激光照明器；光纖耦合技術(shù)；半導(dǎo)體激光器

隨著我國(guó)光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越多的使用各類監(jiān)控設(shè)備，然而，可見(jiàn)光照明系統(tǒng)早已不能滿足人們的需求，所以隱蔽性更高的紅外照明系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。而紅外光源大致可分為三大類：直接使用白熾燈或氙燈發(fā)出的紅外光、使用紅外發(fā)光二極管LED產(chǎn)生紅外光以及使用紅外激光作為光源，這其中只有激光光源才能達(dá)到遠(yuǎn)距離照明的要求，而本文更是將光纖耦合技術(shù)應(yīng)用到了激光光源中，大大提升了光源的轉(zhuǎn)換效率，改善了光束質(zhì)量和散熱性，使得此類光源的照明器將會(huì)實(shí)現(xiàn)非常好的效果。

1 紅外激光照明器的特點(diǎn)

通常傳統(tǒng)的可見(jiàn)光照明燈在夜間會(huì)非常醒目，提醒入侵者“裝有電視監(jiān)控系統(tǒng)”，而紅外激光照明器的出現(xiàn)完美的解決了此類技術(shù)難題。紅外激光照明器是利用半導(dǎo)體光源輸出人眼并不感知的近紅外激光，并通過(guò)擴(kuò)束鏡來(lái)調(diào)整光斑的大小，對(duì)想要監(jiān)視的物體進(jìn)行照射，再通過(guò)近紅外光學(xué)系統(tǒng)對(duì)其成像，可以在夜間取得良好的監(jiān)視效果。并且綜合的來(lái)看，紅外激光照明器還有著其他照明系統(tǒng)無(wú)法比擬的發(fā)光效率、功耗和照射距離等，因此在各類大型監(jiān)控場(chǎng)所如軍事基地、森林防火、邊海防監(jiān)控中都有著廣泛的應(yīng)用。

2 光纖耦合紅外激光照明器的工作原理

基于當(dāng)前技術(shù)的半導(dǎo)體激光器，憑借著其良好的單向性和方向性得到了非常廣泛的應(yīng)用，但是其缺點(diǎn)也非常明顯，即快軸發(fā)散角較大，慢軸的發(fā)散角較小，并且由于高階模的存在，光束成長(zhǎng)條形，光斑也不均勻[1]。所以，半導(dǎo)體激光器直接作為照明器的光源是存在相當(dāng)大缺陷的，且這種缺陷將隨著照明距離的增大而增大。而若將光纖耦合技術(shù)運(yùn)用到半導(dǎo)體激光器中，將會(huì)得到近乎理想的光束形狀與光斑，從而很好的解決了單一半導(dǎo)體激光器作為光源的缺陷。

所以不難發(fā)現(xiàn)，較于普通的紅外激光照明器，光纖耦合紅外激光照明器最大的不同便在于它的光源上，其采用了光纖耦合技術(shù)，所以它的增益介質(zhì)通常是雙包層光纖，但從根本上說(shuō)，它還是紅外激光照明器的一種，因此其結(jié)構(gòu)組成仍然為泵浦原、增益介質(zhì)和光學(xué)諧振腔。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

通過(guò)圖1可以發(fā)現(xiàn)，激光器的結(jié)構(gòu)主要分為內(nèi)包層、外包層以及纖芯，其中纖芯中含有大量稀土離子（如Yb3+、Er3+、Nd3+等），它們的主要作用是吸收泵浦光，從而產(chǎn)生單模激光。緊貼著纖芯的便是內(nèi)包層結(jié)構(gòu)，作為多模泵浦光的傳輸波導(dǎo)，它通常有著較大的橫向尺寸，使得入纖效率大為提升，從而提高了泵浦效率，也就提升了光纖激光器的輸出功率[2]。

所以通過(guò)上述分析不難發(fā)現(xiàn)，光纖耦合激光光源是兩種技術(shù)的結(jié)合，其結(jié)合即光纖耦合的方式大致可分為直接和間接的兩種方式，而直接耦合包括光纖直接耦合和光纖微透鏡直接耦合兩種；間接耦合可分為單透鏡耦合和透鏡組耦合。綜合分析后，本文將選取結(jié)構(gòu)及工藝較為簡(jiǎn)單的圓柱形單透鏡間接耦合的方式：經(jīng)過(guò)光纖耦合的處理，得到較為規(guī)則的光束和光斑，再利用照明器的透鏡組，改善發(fā)散角，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且效果良好，是大功率激光照明器光源的首選。

而為了滿足不同的照射距離，可采用變焦鏡頭，改變激光的照射距離，并且根據(jù)照射距離的遠(yuǎn)近來(lái)調(diào)整光束的發(fā)散角，當(dāng)距離較近時(shí)，光強(qiáng)較大，可調(diào)大發(fā)散角，起到分散光強(qiáng)的同時(shí)還能擴(kuò)大照射區(qū)域；當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，光強(qiáng)較弱，可調(diào)小發(fā)散角，增大光強(qiáng)以滿足遠(yuǎn)距離成像的光能量需求[3]。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 光纖耦合效率實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

選取輸出波長(zhǎng)為808nm的LD為測(cè)試對(duì)象，驗(yàn)證LD光纖耦合效率，光纖數(shù)值孔徑為0.225，纖芯直徑為200μm的多模光纖。為提高耦合效率，選取柱面鏡進(jìn)行間接耦合，并在光纖端面處鍍?cè)鐾改ぁ?/p>

實(shí)驗(yàn)選取口徑為220μm的柱面鏡進(jìn)行光束整形，經(jīng)過(guò)柱面鏡整形之后的光束的發(fā)散角大大減小，更利于后續(xù)光纖耦合，大大提高了耦合的效率。表1列出了經(jīng)過(guò)光束整形和耦合之后的實(shí)測(cè)功率值，圖2給出了功率電壓測(cè)試曲線。

根據(jù)表1和圖2中的數(shù)值，計(jì)算得到光纖耦合效率值是87.1%，準(zhǔn)直效率91%。

3.2 光斑整形實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建光斑測(cè)試平臺(tái)，由LD出射方形光斑，后面放置柱面鏡，將方形光斑進(jìn)行壓縮整形，得到整圓后的出射光斑。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立如圖3所示，半導(dǎo)體激光器出射光斑經(jīng)過(guò)柱面鏡整形后，出射光斑的形狀和光斑均勻性得到了很大的提高，如圖4，圖5所示為整形前后的對(duì)比圖。

3.3 光斑的均勻化處理

半導(dǎo)體激光器出射的光斑，經(jīng)過(guò)光纖耦合之后，光斑的質(zhì)量得到很大的提高。如圖6所示為遠(yuǎn)距離三公里光纖耦合激光照明器的光斑實(shí)測(cè)照片，從照片可以看出，遠(yuǎn)距離三公里光纖耦合激光照明器的光斑很均勻，邊界整齊，亮度也很高。

光纖耦合激光照明器的光斑質(zhì)量同時(shí)也受到半導(dǎo)體激光器的個(gè)數(shù)影響，單個(gè)半導(dǎo)體激光器官板上存在明暗相間的條紋[4]，兩個(gè)半導(dǎo)體激光器經(jīng)過(guò)光纖耦合之后，明暗相間的條紋顯著提高，光斑質(zhì)量大大提高，光斑亮度明顯增強(qiáng)。

圖7-圖10給出了由四個(gè)半導(dǎo)體激光器耦合而成的一公里光纖耦合激光照明器和由七個(gè)半導(dǎo)體激光器耦合而成的三公里光纖耦合激光照明器的結(jié)構(gòu)和外形。

由激光耦合理論可知，將多個(gè)激光二極管的出射光耦合到同一根光纖中時(shí)，二極管的個(gè)數(shù)越多，最終出射的光斑質(zhì)量越高，光斑的均勻性越好，光斑的亮度也越高[5]。由四個(gè)半導(dǎo)體激光器和七個(gè)半導(dǎo)體激光器耦合而成的照明器出射的光斑如圖11和圖12所示，兩幅圖的光斑變化不大，這是因?yàn)楫?dāng)半導(dǎo)體激光器的個(gè)數(shù)足夠以后，增加半導(dǎo)體激光器的數(shù)量無(wú)法進(jìn)一步提高光斑的質(zhì)量。

3.4 出光功率的測(cè)試

由于激光器最終的出射亮度和照明距離遠(yuǎn)近由照明器的出射光功率決定[6]。通過(guò)光纖耦合，將多個(gè)半導(dǎo)體激光器出射的光耦合到光纖中，大幅度提高了最終的出射光功率[7]。輸出的光功率隨著半導(dǎo)體激光的個(gè)數(shù)的增加而增大。

選取輸出波長(zhǎng)為808nm，纖芯直徑為200μm，光纖數(shù)值孔徑為0.225的多模光纖，進(jìn)行輸出功率與半導(dǎo)體激光器個(gè)數(shù)之間的關(guān)系的試驗(yàn)驗(yàn)證，選取的半導(dǎo)體激光器的單個(gè)額定輸出功率為3W。利用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為萬(wàn)用表，光功率計(jì)和數(shù)顯直流穩(wěn)壓電源。測(cè)量結(jié)果如表2和表3所示。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)半導(dǎo)體激光器的電流一致時(shí)，光纖耦合激光照明器的輸出光功率關(guān)于半導(dǎo)體激光器的個(gè)數(shù)呈線性增加關(guān)系。而半導(dǎo)體激光器本身的性質(zhì)決定了光電轉(zhuǎn)換效率，半導(dǎo)體激光器個(gè)數(shù)對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率沒(méi)有影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)理論分析與證明，半導(dǎo)體激光器可結(jié)合光纖耦合技術(shù)來(lái)提升照明效果，并通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，得出了與理論分析近乎相同的結(jié)論，即光纖耦合技術(shù)使半導(dǎo)體激光器的光斑得到了顯著的改善，并且在亮度方面也得到了一定的提升。此外，通過(guò)實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，光纖耦合技術(shù)對(duì)光功率也產(chǎn)生了相當(dāng)大的貢獻(xiàn)，可通過(guò)改變耦合的數(shù)量來(lái)增大或減小光功率。在當(dāng)前使用要求及環(huán)境越來(lái)越嚴(yán)格的背景下，基于光纖耦合技術(shù)的紅外激光照明器將憑借著其可靠、靈活及較好的照明效果在各類監(jiān)控領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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