基于光纖耦合技術的遠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：半導體激光器直接作為紅外激光照明器光源使用，會在光斑及光束方面存在較大缺陷，而通過結合光纖耦合技術，可以完美的解決此類問題，實現高功率、高均勻性的激光輸出。本文通過分析光纖耦合技術的原理及其與半導體激光器結合的機理，并經過實驗，驗證了光纖耦合技術可以大幅改善半導體激光器的激光輸出質量。

關鍵詞：紅外激光照明器；光纖耦合技術；半導體激光器

隨著我國光學技術的發展，人們越來越多的使用各類監控設備，然而，可見光照明系統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應運而生。而紅外光源大致可分為三大類：直接使用白熾燈或氙燈發出的紅外光、使用紅外發光二極管LED產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到遠距離照明的要求，而本文更是將光纖耦合技術應用到了激光光源中，大大提升了光源的轉換效率，改善了光束質量和散熱性，使得此類光源的照明器將會實現非常好的效果。

1 紅外激光照明器的特點

通常傳統的可見光照明燈在夜間會非常醒目，提醒入侵者“裝有電視監控系統”，而紅外激光照明器的出現完美的解決了此類技術難題。紅外激光照明器是利用半導體光源輸出人眼并不感知的近紅外激光，并通過擴束鏡來調整光斑的大小，對想要監視的物體進行照射，再通過近紅外光學系統對其成像，可以在夜間取得良好的監視效果。并且綜合的來看，紅外激光照明器還有著其他照明系統無法比擬的發光效率、功耗和照射距離等，因此在各類大型監控場所如軍事基地、森林防火、邊海防監控中都有著廣泛的應用。

2 光纖耦合紅外激光照明器的工作原理

基于當前技術的半導體激光器，憑借著其良好的單向性和方向性得到了非常廣泛的應用，但是其缺點也非常明顯，即快軸發散角較大，慢軸的發散角較小，并且由于高階模的存在，光束成長條形，光斑也不均勻[1]。所以，半導體激光器直接作為照明器的光源是存在相當大缺陷的，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運用到半導體激光器中，將會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體激光器作為光源的缺陷。

所以不難發現，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，所以它的增益介質通常是雙包層光纖，但從根本上說，它還是紅外激光照明器的一種，因此其結構組成仍然為泵浦原、增益介質和光學諧振腔。其結構簡圖如圖1所示。

通過圖1可以發現，激光器的結構主要分為內包層、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，從而產生單模激光。緊貼著纖芯的便是內包層結構，作為多模泵浦光的傳輸波導，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]。

所以通過上述分析不難發現，光纖耦合激光光源是兩種技術的結合，其結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，本文將選取結構及工藝較為簡單的圓柱形單透鏡間接耦合的方式：經過光纖耦合的處理，得到較為規則的光束和光斑，再利用照明器的透鏡組，改善發散角，不僅結構簡單，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，并且根據照射距離的遠近來調整光束的發散角，當距離較近時，光強較大，可調大發散角，起到分散光強的同時還能擴大照射區域；當距離較遠時，光強較弱，可調小發散角，增大光強以滿足遠距離成像的光能量需求[3]。

3 實驗分析

3.1 光纖耦合效率實驗驗證

選取輸出波長為808nm的LD為測試對象，驗證LD光纖耦合效率，光纖數值孔徑為0.225，纖芯直徑為200μm的多模光纖。為提高耦合效率，選取柱面鏡進行間接耦合，并在光纖端面處鍍增透膜。

實驗選取口徑為220μm的柱面鏡進行光束整形，經過柱面鏡整形之后的光束的發散角大大減小，更利于后續光纖耦合，大大提高了耦合的效率。表1列出了經過光束整形和耦合之后的實測功率值，圖2給出了功率電壓測試曲線。

根據表1和圖2中的數值，計算得到光纖耦合效率值是87.1%，準直效率91%。

3.2 光斑整形實驗驗證

搭建光斑測試平臺，由LD出射方形光斑，后面放置柱面鏡，將方形光斑進行壓縮整形，得到整圓后的出射光斑。實驗平臺建立如圖3所示，半導體激光器出射光斑經過柱面鏡整形后，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比圖。

3.3 光斑的均勻化處理

半導體激光器出射的光斑，經過光纖耦合之后，光斑的質量得到很大的提高。如圖6所示為遠距離三公里光纖耦合激光照明器的光斑實測照片，從照片可以看出，遠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量同時也受到半導體激光器的個數影響，單個半導體激光器官板上存在明暗相間的條紋[4]，兩個半導體激光器經過光纖耦合之后，明暗相間的條紋顯著提高，光斑質量大大提高，光斑亮度明顯增強。

圖7-圖10給出了由四個半導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半導體激光器耦合而成的三公里光纖耦合激光照明器的結構和外形。

由激光耦合理論可知，將多個激光二極管的出射光耦合到同一根光纖中時，二極管的個數越多，最終出射的光斑質量越高，光斑的均勻性越好，光斑的亮度也越高[5]。由四個半導體激光器和七個半導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，這是因為當半導體激光器的個數足夠以后，增加半導體激光器的數量無法進一步提高光斑的質量。

3.4 出光功率的測試

由于激光器最終的出射亮度和照明距離遠近由照明器的出射光功率決定[6]。通過光纖耦合，將多個半導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體激光的個數的增加而增大。

選取輸出波長為808nm，纖芯直徑為200μm，光纖數值孔徑為0.225的多模光纖，進行輸出功率與半導體激光器個數之間的關系的試驗驗證，選取的半導體激光器的單個額定輸出功率為3W。利用的實驗設備為萬用表，光功率計和數顯直流穩壓電源。測量結果如表2和表3所示。

從實驗數據分析可知，當半導體激光器的電流一致時，光纖耦合激光照明器的輸出光功率關于半導體激光器的個數呈線性增加關系。而半導體激光器本身的性質決定了光電轉換效率，半導體激光器個數對光電轉換效率沒有影響。

4 結束語

經過理論分析與證明，半導體激光器可結合光纖耦合技術來提升照明效果，并通過大量實驗，得出了與理論分析近乎相同的結論，即光纖耦合技術使半導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，通過實驗還發現，光纖耦合技術對光功率也產生了相當大的貢獻，可通過改變耦合的數量來增大或減小光功率。在當前使用要求及環境越來越嚴格的背景下，基于光纖耦合技術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控領域中得到廣泛的應用。

參考文獻

[1]王錦昌.LD激光照明[J].光學技術，1998，7（4）：15-18.

[2]胡貴軍，白冰，張亮.高功率光纖激光器研究[J].吉林大學學報，2003，21（4）：339-341.

[3]玉人.半導體輔助照明關鍵技術研究[D].長春：長春理工大學，2011.

[4]鄧錫銘.激光應用的回顧與展望[J].激光與紅外，1996（04）.

[5]張靜，李照華，滕錦宇.激光應用中的安全問題探討[J].中國激光醫學雜志，2001（03）.

[6]激光研究所簡介[J].昆明理工大學學報（理工版），2005（05）.

[7]侯晨霞.激光的應用及發展[J].南都學壇，1996（06）.