Laser cu semiconductor cu fibre cuplate

Definiție: Un laser cu diodă în care lumina generată este cuplată într-o fibră optică.

În multe cazuri, este necesar să cuplați lumina de ieșire de la un laser cu diodă într-o fibră optică, astfel încât lumina să poată fi transmisă acolo unde este nevoie. Laserele semiconductoare cuplate cu fibre au următoarele avantaje:

1. Curba de intensitate a luminii emise de fibra optică este în general netedă și circulară, iar calitatea fasciculului este simetrică, ceea ce este foarte convenabil în aplicare. De exemplu, optica mai puțin complexă este utilizată pentru a genera puncte circulare de pompă pentru laserele cu stare solidă pompate la capăt.

2. Dacă dioda laser și dispozitivul său de răcire sunt îndepărtate din capul laser cu stare solidă, laserul devine foarte mic și există suficient spațiu pentru a plasa alte părți optice.

3. Înlocuirea laserelor semiconductoare cuplate optic necalificate nu necesită schimbarea aranjamentului dispozitivului.

4. Dispozitivul de cuplare optică este ușor de utilizat în combinație cu alte dispozitive cu fibră optică.

Tipuri de laser cu semiconductor cu fibră cuplată

Multe lasere cu diodă finite sunt cuplate cu fibră, conținând optica foarte robustă cuplată cu fibre în pachetul laser. Diferitele lasere cu diode folosesc fibre și tehnologii diferite.

Cel mai simplu caz este că un VCSEL (Laser cu radiații de suprafață cu cavitate verticală) radiază de obicei un fascicul cu o calitate foarte mare a fasciculului, divergență medie a fasciculului, fără astigmatism și o distribuție circulară a intensității. Imaginarea punctului de radiație în miezul unei fibre monomod necesită o lentilă sferică simplă. Eficiența de cuplare poate ajunge la 70-80%. Fibrele optice pot fi, de asemenea, cuplate direct în suprafața radiantă a VCSEL.

Diodele laser cu emisie de margini mici radiază, de asemenea, un singur mod spațial și astfel se pot cupla, în principiu, eficient în fibre cu un singur mod. Cu toate acestea, dacă se folosește doar o lentilă sferică simplă, elipticitatea fasciculului va reduce foarte mult eficiența de cuplare. Și unghiul de divergență al fasciculului este relativ mare în cel puțin o direcție, așa că obiectivul trebuie să aibă o deschidere numerică relativ mare. O altă problemă este astigmatismul prezent în lumina de ieșire a diodei, în special a diodei ghidate de câștig, care poate fi compensată prin utilizarea unei lentile cilindrice suplimentare. Dacă puterea de ieșire ajunge la câteva sute de miliwați, diode laser ghidate de câștig cuplate cu fibră pot fi folosite pentru a pompa amplificatoare cu fibră dopată cu erbiu.

Figura 2: Schema unei diode laser cu emițătoare de margine cuplate cu fibre simple de putere redusă. Lentila sferică este folosită pentru a vizualiza lumina emisă de suprafața diodei laser pe miezul fibrei. Elipticitatea fasciculului și astigmatismul reduc eficiența de cuplare.

Diodele laser cu suprafață mare sunt multimodale din punct de vedere spațial în direcția radiației. Dacă doar modelați fasciculul circular printr-o lentilă cilindrică (de exemplu, o lentilă cu fibră, așa cum se arată în Figura 3) și apoi introduceți fibra multimodală, cea mai mare parte a luminozității se va pierde deoarece fasciculul de înaltă calitate în direcția axei rapide Calitatea nu poate fi folosită. De exemplu, lumina cu o putere de 1W poate intra într-o fibră multimodală cu un diametru al miezului de 50 de microni și o deschidere numerică de 0,12. Această lumină este suficientă pentru a pompa un laser în vrac cu putere redusă, cum ar fi un laser cu microcip. Este posibil chiar și emiterea de 10W de lumină.

Figura 3: Schema unei simple diode laser cu suprafață mare cuplată optic. Lentilele cu fibră optică sunt folosite pentru a colima lumina în direcția axei rapide.

O tehnologie laser de bandă largă îmbunătățită ar fi modelarea fasciculului pentru a avea o calitate a fasciculului simetric (nu doar raza fasciculului) înainte de a-l declanșa. Acest lucru duce, de asemenea, la o luminozitate mai mare.

În rețelele de diode, problema calității fasciculului asimetric este și mai gravă. Ieșirea fiecărui transmițător poate fi cuplată într-o fibră diferită din pachetul de fibre. Fibrele optice sunt dispuse liniar pe o parte a rețelei de diode, dar capetele de ieșire sunt aranjate într-o matrice circulară. Un model de fascicul poate fi utilizat pentru a obține o calitate simetrică a fasciculului înainte de lansarea fasciculului într-o fibră multimodală. Acest lucru permite cuplarea a 30 W de lumină într-o fibră cu diametrul de 200 microni cu o deschidere numerică de 0,22. Acest dispozitiv poate fi folosit pentru a pompa lasere Nd:YAG sau Nd:YVO4 pentru a obține o putere de ieșire de aproximativ 15W.

În stivele de diode, fibrele cu diametre mai mari ale miezului sunt de asemenea utilizate în mod obișnuit. Câteva sute de wați (sau chiar câțiva kilowați) de lumină pot fi cuplati într-o fibră optică cu un diametru al miezului de 600 de microni și o deschidere numerică de 0,22.

Dezavantajele cuplajului cu fibre.

Unele dezavantaje ale laserelor semiconductoare cuplate cu fibre în comparație cu laserele cu radiații în spațiu liber includ:

cost mai mare. Costurile pot fi reduse dacă procesele de manipulare și transmitere a fasciculului sunt simplificate.

Puterea de ieșire este puțin mai mică și, mai important, luminozitatea. Pierderea luminozității este uneori foarte mare (mai mare decât un ordin de mărime) și uneori mică, în funcție de tehnologia de cuplare a fibrelor utilizată. În unele cazuri, acest lucru nu contează, dar în alte cazuri devine o problemă, cum ar fi în proiectarea laserelor în vrac pompate cu diode sau a laserelor cu fibră de mare putere.

În majoritatea cazurilor (în special fibra multimodală), fibra menține polarizarea. Apoi, lumina de ieșire a fibrei este parțial polarizată, iar dacă fibra este mișcată sau temperatura se schimbă, starea de polarizare se va schimba și ea. Dacă absorbția pompei depinde de polarizare, acest lucru poate crea probleme semnificative de stabilitate la laserele cu stare solidă pompate cu diode.