激光雷达是世界各个国家研究的热点方向,它具有诸多优点。例如极高的分辨率、强的抗干扰能力、比微波雷达轻巧的体积和质量、探测到水雷和潜艇等对于普通雷达隐藏的目标等。目前,激光雷达的成像方式中,阵列探测器的非扫描成像克服了单元探测器的一些缺点。但是,由于阵列探测器像元之间具有一定的间隙,为了更好的利用激光能量,降低光能量损失,通常使用光纤阵列耦合器将激光束进行分束。光纤具有重量轻、柔韧性好、抗干扰等优点,用其制作的大型光纤阵列来连接光电探测器,可以解决制作大型光电探测器阵列的难题,还可以通过一些技术手段降低系统对光电探测器像元数的要求。因此,光纤阵列和透镜阵列在激光雷达系统中有着重要应用。精密二维光纤阵列耦合技术是激光雷达系统应用中的关键技术之一。但是,在光纤阵列与透镜阵列形成的耦合器中,耦合效率和可靠性受到诸多因素的影响。目前的二维光纤阵列及其耦合器仍存在许多问题和不足:（1）现有的光纤阵列产品,一维光纤阵列工艺相对较为成熟,而二维光纤阵列的定位误差相对较大,且主要技术为国外公司所垄断;（2）近来国内出现的少量光纤阵列产品,仅为平整的光纤端面,与光束耦合时存在耦合效率低的问题,对光源的功率要求极高;（3）目前国内已报道的关于二维光纤阵列耦合器的研究,多限于理论设计,其余少量的实验研究,耦合效率较低。基于此,本论文提出设计和研制一种高耦合效率、高精密定位的二维光纤耦合器,并对其耦合效率进行测试表征。论文的主要内容包括以下几点:首先,采用UV-LIGA工艺及电铸工艺设计并制作了两种高精密定位二维孔阵列镍片,利用改进的限位插孔法,制作了8×8和7×7两种二维光纤阵列。详细描述了光纤阵列的制作过程和端面抛光原理及方法。对两种光纤阵列的定位精度进行测试,8×8光纤阵列中的光纤定位平均误差为6.6μm,经分析该误差主要来源于光纤涂覆层的公差;改进后,剥去涂覆层的7×7光纤阵列平均定位误差达到了0.9μm。AFM测试结果表明,研磨抛光后的光纤端面粗糙度达到了6.7nm,小于工作波长的百分之一,完全满足使用要求。经测试,8×8光纤阵列的平均耦合效率为38.9%。然后,针对7×7光纤阵列设计并制作了微透镜阵列。借助折射型透镜的几何光学理论、Zemax仿真软件以及光场理论分别计算、仿真和验证了透镜结构的正确性。最终确定的透镜材料为PMMA,微透镜单元的通光口径为0.48mm,曲率半径为0.9mm。用精密单点金刚石切削技术制作了折射型微透镜阵列。经测试,所加工透镜的一致性和均匀性基本满足要求;微透镜顶部的粗糙度高于λ/[email protected],但是边缘部分粗糙度有明显下降;曲率半径为0.92mm,比设计值高出0.02mm,满足使用要求。此外,探索了图形转移法制作微透镜阵列的方法。建立刻蚀转移微透镜阵列的理论模型,分析了面形演化的过程和影响因素;用热回流法制作光刻胶微透镜阵列,并用离子束刻蚀将光刻胶微透镜阵列转移的硅基板上。测试和表征结果表明,当离子束以40°倾角入射时,刻蚀制得的微透镜面形精度高、表面光滑、阵列均匀性好。最后,搭建系统并测试分析二维光纤耦合器的耦合效率。理论分析机械对准误差、端面反射、输入光束发散角和离轴距离对耦合效率的影响。测试、计算出7×7光纤阵列中49根光纤的输出功率、耦合效率,统计分析耦合效率的分布情况。结果显示,二维光纤耦合器中有1根光纤发生断裂,其余48根光纤的平均耦合效率为57.51%;从统计结果看,各耦合单元的耦合效率近似正态分布,数据相对集中,在正常的波动范围内。增加微透镜阵列后,与无微透镜阵列的8×8光纤阵列相比,即使光纤直径缩小约4倍,耦合效率仍提高了近1倍。