Polprevodniški laser s sklopi vlaken

Opredelitev: diodni laser, pri katerem je ustvarjena svetloba sklopljena v optično vlakno.

V mnogih primerih je treba izhodno svetlobo diodnega laserja povezati z optičnim vlaknom, da se lahko svetloba prenese tja, kjer je potrebna. Polprevodniški laserji s sklopi vlaken imajo naslednje prednosti:

1. Krivulja jakosti svetlobe, ki jo oddaja optično vlakno, je na splošno gladka in krožna, kakovost žarka pa je simetrična, kar je zelo priročno pri uporabi. Manj zapletena optika se na primer uporablja za ustvarjanje krožnih črpalnih točk za polprevodniške laserje s končnim črpanjem.

2. Če lasersko diodo in njeno hladilno napravo odstranite iz polprevodniške laserske glave, postane laser zelo majhen in je dovolj prostora za namestitev drugih optičnih delov.

3. Zamenjava nekvalificiranih optično sklopljenih polprevodniških laserjev ne zahteva spreminjanja razporeditve naprave.

4. Optična spojna naprava je enostavna za uporabo v kombinaciji z drugimi napravami z optičnimi vlakni.

Vrste polprevodniških laserjev s sklopi vlaken

Številni končni diodni laserji so povezani z vlakni in vsebujejo zelo robustno optiko, povezano z vlakni v laserskem paketu. Različni diodni laserji uporabljajo različna vlakna in tehnologije.

Najenostavnejši primer je, da VCSEL (laser z navpičnim površinskim sevanjem) običajno seva žarek z zelo visoko kakovostjo žarka, srednjo divergenco žarka, brez astigmatizma in krožno porazdelitvijo intenzitete. Slikanje sevalne točke v jedru enomodnega vlakna zahteva preprosto sferično lečo. Učinkovitost sklopke lahko doseže 70-80%. Optična vlakna je mogoče priključiti tudi neposredno na sevalno površino VCSEL.

Majhne laserske diode, ki oddajajo robove, prav tako sevajo en sam prostorski način in se tako načeloma lahko učinkovito povežejo v enomodna vlakna. Če pa se uporablja le preprosta sferična leča, bo eliptičnost žarka močno zmanjšala učinkovitost sklopitve. Kot odklona snopa je relativno velik vsaj v eno smer, zato mora leča imeti relativno veliko numerično odprtino. Druga težava je astigmatizem, ki je prisoten v izhodni svetlobi diode, zlasti diode z vodenim ojačenjem, ki ga je mogoče kompenzirati z uporabo dodatne cilindrične leče. Če izhodna moč doseže nekaj sto milivatov, je mogoče za črpanje ojačevalnikov z vlakni, dopiranimi z erbijem, uporabiti laserske diode, povezane z vlakni.

Slika 2: Shema preproste laserske diode, ki oddaja robove z nizko porabo vlaken. Sferična leča se uporablja za slikanje svetlobe, ki jo oddaja površina laserske diode, na jedro vlakna. Eliptičnost žarka in astigmatizem zmanjšata učinkovitost sklopitve.

Velikopovršinske laserske diode so prostorsko večmodne v smeri sevanja. Če samo oblikujete krožni žarek skozi cilindrično lečo (na primer lečo iz vlaken, kot je prikazano na sliki 3) in nato vstopite v večmodno vlakno, bo večina svetlosti izgubljena, ker visokokakovosten žarek v smeri hitre osi Kakovosti ni mogoče uporabiti. Na primer, svetloba z močjo 1 W lahko vstopi v večmodno vlakno s premerom jedra 50 mikronov in numerično odprtino 0,12. Ta svetloba zadostuje za črpanje laserja z nizko močjo, kot je laser z mikročipi. Možno je tudi oddajanje 10W svetlobe.

Slika 3: Shema preproste optično sklopljene velikopovršinske laserske diode. Leče iz optičnih vlaken se uporabljajo za kolimacijo svetlobe v smeri hitre osi.

Izboljšana širokopasovna laserska tehnologija bi oblikovala žarek tako, da bi imel simetrično kakovost žarka (ne le radij žarka), preden ga sproži. Posledica tega je tudi večja svetlost.

Pri diodnih nizih je problem asimetrične kakovosti žarka še resnejši. Izhod vsakega oddajnika je lahko povezan z drugim vlaknom v snopu vlaken. Optična vlakna so razporejena linearno na eni strani niza diod, vendar so izhodni konci razporejeni v krožnem nizu. Oblikovalnik žarka lahko uporabite za doseganje simetrične kakovosti žarka, preden žarek usmerite v večmodno vlakno. To omogoča, da se 30 W svetlobe poveže v vlakno s premerom 200 mikronov z numerično odprtino 0,22. To napravo lahko uporabite za črpanje laserjev Nd:YAG ali Nd:YVO4, da dobite izhodno moč približno 15 W.

V sklopih diod se pogosto uporabljajo tudi vlakna z večjim premerom jedra. Nekaj ​​sto vatov (ali celo več kilovatov) svetlobe je mogoče sklopiti v optično vlakno s premerom jedra 600 mikronov in numerično odprtino 0,22.

Slabosti spajanja vlaken.

Nekatere slabosti polprevodniških laserjev s sklopi vlaken v primerjavi z laserji s sevanjem v prostem prostoru vključujejo:

višji strošek. Stroške je mogoče zmanjšati, če poenostavimo procese ravnanja s žarkom in prenosa.

Izhodna moč je nekoliko manjša in še pomembneje svetlost. Izguba svetlosti je včasih zelo velika (večja od reda velikosti) in včasih majhna, odvisno od uporabljene tehnologije spajanja vlaken. V nekaterih primerih to ni pomembno, v drugih primerih pa postane težava, na primer pri načrtovanju laserjev z diodnim črpanjem v razsutem stanju ali visokozmogljivih laserjev z vlakni.

V večini primerov (zlasti večmodno vlakno) vlakno ohranja polarizacijo. Nato je izhodna svetloba vlakna delno polarizirana in če se vlakno premakne ali se spremeni temperatura, se spremeni tudi stanje polarizacije. Če je absorpcija črpalke odvisna od polarizacije, lahko to povzroči velike težave s stabilnostjo v polprevodniških laserjih z diodnim črpanjem.