高亮度、高功率半导体激光尾纤模块中的光束准直是保证高亮度输出的关键因素,光束准直的实现除了需要准直发散角小,还需要极好的光轴指向性,从而保证光束的精密耦合。在半导体激光直接应用中,依靠机械对准保证光轴的指向是有限的,并需要进一步采用光学校正的方法来保证光轴可调。基于光在介质中的折射原理,研究了异形慢轴准直镜对快轴方向激光光轴指向性的校正作用,当慢轴准直镜的倾斜角约为0.23°时,原有的快轴指向偏差约为2.1 mrad,校正后的光轴偏差降低到约290 μrad,这使得光纤前的光能够精密对准,极大地提高了耦合进光纤的功率,提高了光纤耦合的效率,从而为高效率、高亮度光纤耦合半导体激光模块的研制提供了新的思路。

为了实现基于微透镜阵列的高功率半导体激光器堆栈光束整形，对带有快轴准直透镜的高填充因子半导体激光器堆栈慢轴光束准直技术进行了研究。对于发光单元尺寸100 μm、周期200 μm的半导体激光器，分析了填充因子对慢轴光束准直的影响，发现采用微柱透镜与慢轴方向各个发光单元一一对应的方式难以取得较好的准直效果，且会导致其快轴方向没有足够的准直空间。为了去除填充因子的限制，将实际使用的填充因子为0.5 的高功率半导体激光器堆栈以bar 条为单元进行慢轴方向光束准直设计，利用Zemax 光学设计软件进行了模拟仿真，并采用基于空间扫描法的发散角测试装置对慢轴准直后剩余发散角进行测试，实现准直后剩余发散角半角2.12°，实验表明这种准直方法非常有效。该方法简单易行，对于高填充因子半导体激光器慢轴光束准直有较好的借鉴意义。

为实现基于微透镜阵列的高功率半导体激光器堆栈光束整形, 对带有快轴准直透镜的高功率半导体激光器堆栈慢轴光束准直技术进行研究。在慢轴光束准直理论分析基础上, 着重研究了慢轴填充因子对其光束准直的影响, 并对不同填充因子的半导体激光器慢轴光束准直方案进行了分析。针对实际使用的填充因子0.5的高功率半导体激光器堆栈采用以Bar条为单元进行整体准直设计, 并采用基于空间扫描法的发散角测试装置对慢轴准直后剩余发散角进行测试, 实现准直后剩余发散角半角2.12°, 实验表明该准直方法的有效性。

为实现高功率激光二极管堆栈光束的匀化与整形，提出基于双柱透镜慢轴准直的匀化系统。利用双柱透镜实现对高填充因子激光二极管慢轴方向光束发散角度的压缩，降低成像型多孔径光束积分器中微透镜的数值孔径，减小匀化系统体积。通过三个限定条件确定了双柱透镜参数取值范围，并通过像差分析对双柱透镜进行了优化，实现慢轴方向光束剩余发散角度1.74°。结合成像型多孔径光束积分器，设计了激光二极管堆栈的匀化系统，并进行了实验测试。实验结果表明，在中心光斑尺寸约为6 mm×6 mm范围内，光斑不均匀性为8.11%。

基于mini-bar的光纤耦合是一种进一步提高二极管激光器光纤耦合系统出光亮度的有效方法。本文对Osram公司的一款连续60 W mini-bar的发光特性进行了实验研究，选用的mini-bar在工作电流60 A时输出功率60 W，电光转换效率最大为60%，中心波长973.7 nm，慢轴发散角为9.3°(1/e2)。分析了其慢轴准直的特性，了解慢轴准直透镜的选择原则。器件准直后的慢轴发散角为47.6 mrad。通过对光束参量积的计算了解到mini-bar的光束可以直接耦合进入600 μm的光纤，并进行了单片mini-bar的耦合实验，得到准直系统与耦合透镜组的传输效率为83%~85%，光纤的耦合效率为86%~93%，整个系统的光光效率大于72%。