基于光纤耦合技术的远距离红外激光照明器*
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摘 要：半导体激光器直接作为红外激光照明器光源使用，会在光斑及光束方面存在较大缺陷，而通过结合光纤耦合技术，可以完美的解决此类问题，实现高功率、高均匀性的激光输出。本文通过分析光纤耦合技术的原理及其与半导体激光器结合的机理，并经过实验，验证了光纤耦合技术可以大幅改善半导体激光器的激光输出质量。
关键词：红外激光照明器；光纤耦合技术；半导体激光器
随着我国光学技术的发展，人们越来越多的使用各类监控设备，然而，可见光照明系统早已不能满足人们的需求，所以隐蔽性更高的红外照明系统应运而生。而红外光源大致可分为三大类：直接使用白炽灯或氙灯发出的红外光、使用红外发光二极管LED产生红外光以及使用红外激光作为光源，这其中只有激光光源才能达到远距离照明的要求，而本文更是将光纤耦合技术应用到了激光光源中，大大提升了光源的转换效率，改善了光束质量和散热性，使得此类光源的照明器将会实现非常好的效果。
1 红外激光照明器的特点
通常传统的可见光照明灯在夜间会非常醒目，提醒入侵者“装有电视监控系统”，而红外激光照明器的出现完美的解决了此类技术难题。红外激光照明器是利用半导体光源输出人眼并不感知的近红外激光，并通过扩束镜来调整光斑的大小，对想要监视的物体进行照射，再通过近红外光学系统对其成像，可以在夜间取得良好的监视效果。并且综合的来看，红外激光照明器还有着其他照明系统无法比拟的发光效率、功耗和照射距离等，因此在各类大型监控场所如军事基地、森林防火、边海防监控中都有着广泛的应用。
2 光纤耦合红外激光照明器的工作原理
基于当前技术的半导体激光器，凭借着其良好的单向性和方向性得到了非常广泛的应用，但是其缺点也非常明显，即快轴发散角较大，慢轴的发散角较小，并且由于高阶模的存在，光束成长条形，光斑也不均匀[1]。所以，半导体激光器直接作为照明器的光源是存在相当大缺陷的，且这种缺陷将随着照明距离的增大而增大。而若将光纤耦合技术运用到半导体激光器中，将会得到近乎理想的光束形状与光斑，从而很好的解决了单一半导体激光器作为光源的缺陷。
所以不难发现，较于普通的红外激光照明器，光纤耦合红外激光照明器最大的不同便在于它的光源上，其采用了光纤耦合技术，所以它的增益介质通常是双包层光纤，但从根本上说，它还是红外激光照明器的一种，因此其结构组成仍然为泵浦原、增益介质和光学谐振腔。其结构简图如图1所示。
通过图1可以发现，激光器的结构主要分为内包层、外包层以及纤芯，其中纤芯中含有大量稀土离子（如Yb3+、Er3+、Nd3+等），它们的主要作用是吸收泵浦光，从而产生单模激光。紧贴着纤芯的便是内包层结构，作为多模泵浦光的传输波导，它通常有着较大的横向尺寸，使得入纤效率大为提升，从而提高了泵浦效率，也就提升了光纤激光器的输出功率[2]。
所以通过上述分析不难发现，光纤耦合激光光源是两种技术的结合，其结合即光纤耦合的方式大致可分为直接和间接的两种方式，而直接耦合包括光纤直接耦合和光纤微透镜直接耦合两种；间接耦合可分为单透镜耦合和透镜组耦合。综合分析后，本文将选取结构及工艺较为简单的圆柱形单透镜间接耦合的方式：经过光纤耦合的处理，得到较为规则的光束和光斑，再利用照明器的透镜组，改善发散角，不仅结构简单，且效果良好，是大功率激光照明器光源的首选。
而为了满足不同的照射距离，可采用变焦镜头，改变激光的照射距离，并且根据照射距离的远近来调整光束的发散角，当距离较近时，光强较大，可调大发散角，起到分散光强的同时还能扩大照射区域；当距离较远时，光强较弱，可调小发散角，增大光强以满足远距离成像的光能量需求[3]。
3 实验分析
3.1 光纤耦合效率实验验证
选取输出波长为808nm的LD为测试对象，验证LD光纤耦合效率，光纤数值孔径为0.225，纤芯直径为200μm的多模光纤。为提高耦合效率，选取柱面镜进行间接耦合，并在光纤端面处镀增透膜。
实验选取口径为220μm的柱面镜进行光束整形，经过柱面镜整形之后的光束的发散角大大减小，更利于后续光纤耦合，大大提高了耦合的效率。表1列出了经过光束整形和耦合之后的实测功率值，图2给出了功率电压测试曲线。
根据表1和图2中的数值，计算得到光纤耦合效率值是87.1%，准直效率91%。
3.2 光斑整形实验验证
搭建光斑测试平台，由LD出射方形光斑，后面放置柱面镜，将方形光斑进行压缩整形，得到整圆后的出射光斑。实验平台建立如图3所示，半导体激光器出射光斑经过柱面镜整形后，出射光斑的形状和光斑均匀性得到了很大的提高，如图4，图5所示为整形前后的对比图。
3.3 光斑的均匀化处理
半导体激光器出射的光斑，经过光纤耦合之后，光斑的质量得到很大的提高。如图6所示为远距离三公里光纤耦合激光照明器的光斑实测照片，从照片可以看出，远距离三公里光纤耦合激光照明器的光斑很均匀，边界整齐，亮度也很高。
光纤耦合激光照明器的光斑质量同时也受到半导体激光器的个数影响，单个半导体激光器官板上存在明暗相间的条纹[4]，两个半导体激光器经过光纤耦合之后，明暗相间的条纹显著提高，光斑质量大大提高，光斑亮度明显增强。
图7-图10给出了由四个半导体激光器耦合而成的一公里光纤耦合激光照明器和由七个半导体激光器耦合而成的三公里光纤耦合激光照明器的结构和外形。
由激光耦合理论可知，将多个激光二极管的出射光耦合到同一根光纤中时，二极管的个数越多，最终出射的光斑质量越高，光斑的均匀性越好，光斑的亮度也越高[5]。由四个半导体激光器和七个半导体激光器耦合而成的照明器出射的光斑如图11和图12所示，两幅图的光斑变化不大，这是因为当半导体激光器的个数足够以后，增加半导体激光器的数量无法进一步提高光斑的质量。
3.4 出光功率的测试
由于激光器最终的出射亮度和照明距离远近由照明器的出射光功率决定[6]。通过光纤耦合，将多个半导体激光器出射的光耦合到光纤中，大幅度提高了最终的出射光功率[7]。输出的光功率随着半导体激光的个数的增加而增大。
选取输出波长为808nm，纤芯直径为200μm，光纤数值孔径为0.225的多模光纤，进行输出功率与半导体激光器个数之间的关系的试验验证，选取的半导体激光器的单个额定输出功率为3W。利用的实验设备为万用表，光功率计和数显直流稳压电源。测量结果如表2和表3所示。
从实验数据分析可知，当半导体激光器的电流一致时，光纤耦合激光照明器的输出光功率关于半导体激光器的个数呈线性增加关系。而半导体激光器本身的性质决定了光电转换效率，半導体激光器个数对光电转换效率没有影响。
4 结束语
经过理论分析与证明，半导体激光器可结合光纤耦合技术来提升照明效果，并通过大量实验，得出了与理论分析近乎相同的结论，即光纤耦合技术使半导体激光器的光斑得到了显著的改善，并且在亮度方面也得到了一定的提升。此外，通过实验还发现，光纤耦合技术对光功率也产生了相当大的贡献，可通过改变耦合的数量来增大或减小光功率。在当前使用要求及环境越来越严格的背景下，基于光纤耦合技术的红外激光照明器将凭借着其可靠、灵活及较好的照明效果在各类监控领域中得到广泛的应用。
参考文献
[1]王锦昌.LD激光照明[J].光学技术，1998，7（4）：15-18.
[2]胡贵军，白冰，张亮.高功率光纤激光器研究[J].吉林大学学报，2003，21（4）：339-341.
[3]玉人.半导体辅助照明关键技术研究[D].长春：长春理工大学，2011.
[4]邓锡铭.激光应用的回顾与展望[J].激光与红外，1996（04）.
[5]张静，李照华，滕锦宇.激光应用中的安全问题探讨[J].中国激光医学杂志，2001（03）.
[6]激光研究所简介[J].昆明理工大学学报（理工版），2005（05）.
[7]侯晨霞.激光的应用及发展[J].南都学坛，1996（06）.