医用激光设备光斑整形匀化研究

曾水林

摘 要：本文基于医用半导体激光设备与多模光纤耦合系统，分析了造成了多模光纤出射光斑的不均匀原因。通过软件仿真和实际实验，研究解决了多模光纤出射光斑的不均匀性问题。这主要包括在多模光纤上添加使光纤传播路径发生改变的结构件及对光纤末端进行处理。与未添加匀化结构件和未进行端面处理的多模光纤光斑进行对比，充分证明加入结构件和对光纤端面的处理并不会造成多模光纤激光功率传输的太大改变。

关键词：半导体激光；多模光纤；光斑匀化

0 前言

和其他激光器相比，单芯片半导体激光器最大的缺点就是光束质量差。由于单芯片半导体激光器固有结构的特点，大功率单芯片半导体激光器的光束参量积在快慢轴方向相差较大，输出光能量不集中，远场光强分布不均匀，很难用普通的光学系统得到高亮度的大功率激光输出，严重妨碍了大功率单芯片半导体激光器的应用。

市面上普通的单个半导体激光二极管，其输出的激光功率一般在几百毫瓦到几瓦之间，对于一般的应用领域如，光指示、光催化或光激发已经足够，然而，在实际应用中，未经匀化的半导体激光照射装置其输出的光斑中心或边缘有暗区，光斑不均匀，容易造成被照射组织的光敏激发不均匀，影响疗效。

1 光斑整形

1.1 光斑压缩

光纤是一种能够传输光频电磁波的介质波导，其由纤芯、包层和涂覆层组成。当光束满足一定入射条件时，光波就能沿着纤芯向前传播。由于纤芯和包层存在着折射率差，符合入射角度的光束会在纤芯和包层之间发生全反射，经过多次的全反射传播路径后，光束到达指定的照射位置。在激光照射医疗领域使用最多的是多模大芯径石英光纤，其衰减量相较于长距离传输的通信光纤来说会大很多，但用于医疗的光纤长度在几米之内，其对衰减量不太敏感。

半导体激光由于其发光面的特殊性，在未经光束整形前，其出射的光斑为一条直线（如图1所示）。

垂直于PN结的方向称为快轴，快轴的发散角可达到30～40度左右，而平行于PN结的方向称为慢轴，慢轴的发散角一般是4～8度之间。当要将半导体激光束耦合进光纤中时，由于光纤的纤芯直径远小于未经整形的半导体激光光斑尺寸，这就需要在半导体激光二极管发光面前端放置柱透镜压缩快轴方向的光束，使快轴或慢轴方向上的光束聚合成一个较小的且能进入光纤端面的光斑。在距离半导体激光二极管发光面两米远处的光斑形状，如图2所示。

1.2 光斑整圆

激光光束的整圆可利用椭圆微透镜或二元光学元件进行，使用光纤对激光光束进行整圆的结构简单、耦合效率高，适合制作小体积、大功率的照明光源。用于光束整圆的光纤为阶跃折射率多模光纤。光纤对激光光束的整圆，可以用纤维光学的射线理论来介绍。

经过与多模光纤耦合后，半导体激光光束在多模光纤末端出射的光斑形状会发生改变。利用ZEMAX软件进行结构模拟，得到的光斑如图3（a）和图3（b）所示，图中很明显可以看到光能量的分布不均匀，中间光强大于边缘光强。

2 光斑匀化研究

2.1 现有的匀化技术

半导体激光发光二极管的结构经封装固定，要实现光斑匀化，需对光束经过的路径进行二次光路结构设计。从已经公开发表的文献来看，多数的光斑匀化的二次光路结构主要有四类：一类是在光源与光纤之间加一聚光器和匀化镜片，如微透镜片、菲涅尔镜片或复杂非球面镜片等结构；第二类是改变光波导的形状结构，使得激光各模式分布改變，如将传统的圆柱形光纤改成三角形或多边形的空心波导，以此改变光束行走的路径，达到匀化的目的；第三类是在多模光纤的出光末端加装匀化镜片之类的匀化结构，如较为简单的加装一块毛玻璃，使光束发生强烈的散射，达到匀化光斑的目的；第四类是包含了前面三类的综合匀化方式。

2.2 利用软件对本文所探讨的结构进行仿真

前文所述的各种匀化方法皆会使激光器装置及应用部分的结构变大、变复杂，这对于在实际的医疗照射领域中是不太合适的，越复杂的结构会带来更多的风险，当各种风险累积到一起时则有可能会超过受益，医用激光设备的安全性将得不到保障。经过模拟和实验发现，通过弯曲多模光纤的方式能够使多模光纤末端出射的光斑的光强分布更均匀。使多模光纤发生固定弯曲的结构件可以采用金属扰性套管或定型的其他材质构成的同样功能的套管。

（1）扰性套管

扰性套管可改变光束在多模光纤中的模式分布。在光纤传输体外部加装扰性套管，扰性套管产生的物理作用力使光纤在较短长度内实现弯曲。扰性套管可通过弯曲金属空心管得到，也可以基于设计得到固定的结构后直接套结于多模光纤之上。其结构可如图4所示。

（2）软件模拟扰性套管对光斑匀化的作用

利用ZEMAX软件的非序列模式建立半导体激光二极管与多模光纤耦合的模型。加装扰性套管的半导体激光与多模光纤耦合的结构及光斑图如下所示：

在图5中，半导体激光光束经柱透镜的压缩之后进入到平直放置的光纤中，在光纤的某一部位加装弯曲的扰性管，光束经过光纤末端后照射于光屏上，在光屏上显示的光斑形状如下：

从图6中可以清楚地看到，与未加装扰性套管之前的光斑相比，其光斑的均匀性有明显的改善。这充分证明加装扰性套管可以改善多模光纤出射光斑的均匀性，达到对光斑的匀化作用。不过由于软件仿真的局限性，光斑匀化的效果并不是十分完美，图6中的光斑在边缘处还有一些较弱的散光存在。

2.3 实验安排

2.1 实验条件与对象

实验使用的仪器与工具及环境条件如表1所示。实验的对象是一根纤芯直径为400um的石英光纤。

2.2 光斑匀化

将光纤跳线的SMA905接头连接于半导体激光光源的输出端口，同时将扰性套管套在光纤跳线上。保持光纤平直放置。接通激光光源的电源，待激光光源稳定后，调整激光光源输出功率为1000mW。用激光功率计测量光纤末端的输出功率，如表2所示。同时，查看光斑在白色光屏上的形状。如图7所示。

用工具将扰性套管折弯，折弯后的形状如图8（a）所示，在折弯时应关注折弯光纤后光纤末端输出的光斑图的变化情况。当光斑在肉眼观察下已无法明显发现其不均匀性即可。如图8（b）所示。

测量匀化后的光纤末端的激光功率，与未加扰性套管的光纤末端激光功率进行对比。如表2所示。

从多模光纤加装扰性套管前后所测得的输出功率来看，说明施加外力使光斑匀化的过程或引起一些激光功率的损耗，这是符合前文的软件模拟结果的。

3 结论

本文提出的利用多模光纤和扰性套管对医用半导体激光设备输出的光斑进行整形匀化的概念，较好地解决了半导体激光器与多模光纤耦合后光斑均匀性差的问题，对提高医用激光设备出射光斑的均匀性有重要意义。在多模光纤裸纤上加装扰性套管，改变了激光束各种模式在光纤内部的分布。

参考文献：

[1] 陈敏，叶中琛，任海萍，金若男. 光纤和医用激光设备整体质控的研究[J]，中国医疗器设备，2014，29（06），95.