Laser półprzewodnikowy sprzężony włóknem

Definicja: Laser diodowy, w którym generowane światło jest wprowadzane do światłowodu.

W wielu przypadkach konieczne jest połączenie światła wyjściowego lasera diodowego ze światłowodem, aby światło mogło zostać przesłane tam, gdzie jest potrzebne. Lasery półprzewodnikowe ze sprzężeniem światłowodowym mają następujące zalety:

1. Krzywa intensywności światła emitowanego przez światłowód jest na ogół gładka i okrągła, a jakość wiązki jest symetryczna, co jest bardzo wygodne w zastosowaniu. Na przykład mniej złożona optyka jest używana do generowania okrągłych plamek pompy w laserach na ciele stałym pompowanym od końca.

2. Po wyjęciu diody laserowej i jej urządzenia chłodzącego z głowicy lasera na ciele stałym laser staje się bardzo mały i pozostaje wystarczająco dużo miejsca na umieszczenie innych części optycznych.

3. Wymiana niewykwalifikowanych laserów półprzewodnikowych sprzężonych optycznie nie wymaga zmiany układu urządzenia.

4. Optyczne urządzenie sprzęgające jest łatwe w użyciu w połączeniu z innymi urządzeniami światłowodowymi.

Typy laserów półprzewodnikowych ze sprzężeniem światłowodowym

Wiele gotowych laserów diodowych jest sprzężonych włóknem, a pakiet lasera zawiera bardzo wytrzymałą optykę ze sprzężeniem światłowodowym. Różne lasery diodowe wykorzystują różne włókna i technologie.

Najprostszy przypadek jest taki, że VCSEL (laser z promieniowaniem powierzchniowym wnęki pionowej) zazwyczaj emituje wiązkę o bardzo wysokiej jakości, średniej rozbieżności, braku astygmatyzmu i kołowym rozkładzie intensywności. Obrazowanie plamki promieniowania w rdzeniu światłowodu jednomodowego wymaga prostej soczewki sferycznej. Sprawność sprzęgania może osiągnąć 70-80%. Światłowody można także podłączyć bezpośrednio do powierzchni promieniującej VCSEL.

Małe diody laserowe emitujące krawędzie również emitują pojedynczy mod przestrzenny i dzięki temu mogą w zasadzie skutecznie łączyć się w włókna jednomodowe. Jeśli jednak zostanie zastosowana tylko prosta soczewka sferyczna, eliptyczność wiązki znacznie zmniejszy skuteczność sprzęgania. Kąt rozbieżności wiązki jest stosunkowo duży w co najmniej jednym kierunku, więc soczewka musi mieć stosunkowo dużą aperturę numeryczną. Kolejnym problemem jest astygmatyzm światła wyjściowego diody, zwłaszcza diody ze wzmocnieniem, który można skompensować za pomocą dodatkowej soczewki cylindrycznej. Jeśli moc wyjściowa osiągnie kilkaset miliwatów, diody laserowe ze sprzężeniem światłowodowym ze wzmocnieniem mogą zostać użyte do pompowania wzmacniaczy światłowodowych domieszkowanych erbem.

Rysunek 2: Schemat prostej diody laserowej emitującej krawędziowo ze sprzężeniem światłowodowym o małej mocy. Soczewka sferyczna służy do obrazowania światła emitowanego z powierzchni diody laserowej na rdzeń światłowodu. Eliptyczność wiązki i astygmatyzm zmniejszają skuteczność sprzęgania.

Wielkopowierzchniowe diody laserowe są przestrzennie wielomodowe w kierunku promieniowania. Jeśli po prostu uformujesz wiązkę kołową przez soczewkę cylindryczną (na przykład soczewkę światłowodową, jak pokazano na rysunku 3), a następnie wejdziesz do światłowodu wielomodowego, większość jasności zostanie utracona, ponieważ wysokiej jakości wiązka w kierunku szybkiej osi Nie można używać jakości. Przykładowo światło o mocy 1W może wejść do światłowodu wielomodowego o średnicy rdzenia 50 mikronów i aperturze numerycznej 0,12. To światło jest wystarczające do pompowania lasera masowego o małej mocy, takiego jak laser mikrochipowy. Możliwe jest emitowanie nawet 10W światła.

Rysunek 3: Schemat prostej, optycznie sprzężonej, wielkopowierzchniowej diody laserowej. Soczewki światłowodowe służą do kolimacji światła w kierunku szybkiej osi.

Ulepszona technologia lasera szerokopasmowego polegałaby na takim kształtowaniu wiązki tak, aby miała symetryczną jakość wiązki (a nie tylko promień wiązki) przed jej wyzwoleniem. Przekłada się to również na wyższą jasność.

W układach diodowych problem asymetrycznej jakości wiązki jest jeszcze poważniejszy. Wyjście każdego nadajnika może być połączone z innym włóknem w wiązce włókien. Światłowody są ułożone liniowo po jednej stronie układu diod, ale końce wyjściowe są ułożone w układzie kołowym. Aby uzyskać symetryczną jakość wiązki przed wprowadzeniem wiązki do światłowodu wielomodowego, można zastosować urządzenie do kształtowania wiązki. Umożliwia to sprzęgnięcie światła o mocy 30 W we włóknie o średnicy 200 mikronów i aperturze numerycznej 0,22. Urządzeniem tym można pompować lasery Nd:YAG lub Nd:YVO4 w celu uzyskania mocy wyjściowej około 15W.

W stosach diod powszechnie stosuje się także włókna o większych średnicach rdzenia. Do światłowodu o średnicy rdzenia 600 mikronów i aperturze numerycznej 0,22 można wprowadzić kilkaset watów (lub nawet kilka kilowatów) światła.

Wady sprzęgania włókien.

Niektóre wady laserów półprzewodnikowych ze sprzężeniem światłowodowym w porównaniu z laserami radiacyjnymi w wolnej przestrzeni obejmują:

wyższy koszt. Koszty można obniżyć, upraszczając procesy obsługi i przenoszenia belek.

Moc wyjściowa jest nieco mniejsza, a co ważniejsze, jasność. Utrata jasności jest czasami bardzo duża (większa niż rząd wielkości), a czasami niewielka, w zależności od zastosowanej technologii sprzęgania włókien. W niektórych przypadkach nie ma to znaczenia, ale w innych przypadkach staje się problemem, na przykład przy projektowaniu laserów masowych pompowanych diodowo lub laserów światłowodowych dużej mocy.

W większości przypadków (szczególnie w przypadku światłowodów wielomodowych) włókno zachowuje polaryzację. Wtedy światło wyjściowe światłowodu jest częściowo spolaryzowane, a jeśli włókno zostanie przesunięte lub zmieni się temperatura, zmieni się również stan polaryzacji. Jeśli absorpcja pompy zależy od polaryzacji, może to powodować poważne problemy ze stabilnością w laserach na ciele stałym pompowanym diodą.