Λέιζερ ημιαγωγών συζευγμένων ινών

Ορισμός: Ένα διοδικό λέιζερ στο οποίο το φως που παράγεται συνδέεται σε μια οπτική ίνα.

Σε πολλές περιπτώσεις, είναι απαραίτητο να συνδέσετε το φως εξόδου από ένα λέιζερ διόδου σε μια οπτική ίνα, έτσι ώστε το φως να μπορεί να μεταδοθεί εκεί που χρειάζεται. Τα λέιζερ ημιαγωγών συζευγμένων ινών έχουν τα ακόλουθα πλεονεκτήματα:

1. Η καμπύλη έντασης του φωτός που εκπέμπεται από την οπτική ίνα είναι γενικά ομαλή και κυκλική και η ποιότητα της δέσμης είναι συμμετρική, κάτι που είναι πολύ βολικό στην εφαρμογή. Για παράδειγμα, λιγότερο πολύπλοκα οπτικά χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία κυκλικών κηλίδων αντλίας για λέιζερ στερεάς κατάστασης με ακραία αντλία.

2. Εάν η δίοδος λέιζερ και η συσκευή ψύξης της αφαιρεθούν από την κεφαλή λέιζερ στερεάς κατάστασης, το λέιζερ γίνεται πολύ μικρό και υπάρχει αρκετός χώρος για να τοποθετηθούν άλλα οπτικά μέρη.

3. Η αντικατάσταση των μη εγκεκριμένων οπτικά συζευγμένων λέιζερ ημιαγωγών δεν απαιτεί αλλαγή της διάταξης της συσκευής.

4. Η συσκευή οπτικής σύζευξης είναι εύκολη στη χρήση σε συνδυασμό με άλλες συσκευές οπτικών ινών.

Τύποι λέιζερ συζευγμένων ημιαγωγών

Πολλά ολοκληρωμένα λέιζερ διόδου είναι συζευγμένα με ίνες, και περιέχουν πολύ στιβαρά οπτικά συνδεδεμένα με ίνες στη συσκευασία λέιζερ. Διαφορετικά λέιζερ διόδου χρησιμοποιούν διαφορετικές ίνες και τεχνολογίες.

Η απλούστερη περίπτωση είναι ότι ένα VCSEL (Vertical Cavity Surface Radiation Laser) τυπικά εκπέμπει μια δέσμη με πολύ υψηλή ποιότητα δέσμης, μέση απόκλιση δέσμης, χωρίς αστιγματισμό και κυκλική κατανομή έντασης. Η απεικόνιση του σημείου ακτινοβολίας στον πυρήνα μιας ίνας μονής λειτουργίας απαιτεί έναν απλό σφαιρικό φακό. Η απόδοση σύζευξης μπορεί να φτάσει το 70-80%. Οι οπτικές ίνες μπορούν επίσης να συνδεθούν απευθείας στην επιφάνεια ακτινοβολίας του VCSEL.

Οι μικρές δίοδοι λέιζερ εκπομπής άκρων εκπέμπουν επίσης μια ενιαία χωρική λειτουργία και έτσι μπορούν, καταρχήν, να συζευχθούν αποτελεσματικά σε ίνες μονής λειτουργίας. Ωστόσο, εάν χρησιμοποιείται μόνο ένας απλός σφαιρικός φακός, η ελλειπτικότητα της δέσμης θα μειώσει σημαντικά την απόδοση σύζευξης. Και η γωνία απόκλισης δέσμης είναι σχετικά μεγάλη σε τουλάχιστον μία κατεύθυνση, επομένως ο φακός πρέπει να έχει σχετικά μεγάλο αριθμητικό διάφραγμα. Ένα άλλο πρόβλημα είναι ο αστιγματισμός που υπάρχει στο φως εξόδου της διόδου, ειδικά στη δίοδο καθοδηγούμενη από κέρδος, ο οποίος μπορεί να αντισταθμιστεί χρησιμοποιώντας έναν πρόσθετο κυλινδρικό φακό. Εάν η ισχύς εξόδου φτάσει αρκετές εκατοντάδες milliwatts, μπορούν να χρησιμοποιηθούν διόδους λέιζερ καθοδηγούμενης από κέρδος συζευγμένων με ίνες για την άντληση ενισχυτών ινών με πρόσμειξη ερβίου.

Εικόνα 2: Σχηματική απεικόνιση μιας απλής δίοδος λέιζερ με σύζευξη ινών χαμηλής ισχύος. Ο σφαιρικός φακός χρησιμοποιείται για την απεικόνιση του φωτός που εκπέμπεται από την επιφάνεια της διόδου λέιζερ στον πυρήνα της ίνας. Η ελλειπτικότητα της δέσμης και ο αστιγματισμός μειώνουν την αποτελεσματικότητα της σύζευξης.

Οι δίοδοι λέιζερ μεγάλης περιοχής είναι χωρικά πολλαπλών λειτουργιών προς την κατεύθυνση της ακτινοβολίας. Εάν απλώς διαμορφώσετε την κυκλική δέσμη μέσω ενός κυλινδρικού φακού (για παράδειγμα, ενός φακού ινών, όπως φαίνεται στο σχήμα 3) και στη συνέχεια εισαγάγετε την ίνα πολλαπλών λειτουργιών, το μεγαλύτερο μέρος της φωτεινότητας θα χαθεί επειδή η δέσμη υψηλής ποιότητας στην κατεύθυνση του γρήγορου άξονα Η ποιότητα δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Για παράδειγμα, φως με ισχύ 1W μπορεί να εισέλθει σε μια πολύτροπη ίνα με διάμετρο πυρήνα 50 μικρά και αριθμητικό διάφραγμα 0,12. Αυτό το φως επαρκεί για την άντληση ενός χύδην λέιζερ χαμηλής ισχύος, όπως ένα λέιζερ μικροτσίπ. Ακόμη και η εκπομπή φωτός 10 W είναι δυνατή.

Εικόνα 3: Σχηματική απεικόνιση μιας απλής οπτικά συζευγμένης διόδου λέιζερ μεγάλης περιοχής. Οι φακοί οπτικών ινών χρησιμοποιούνται για την ευθυγράμμιση του φωτός στη γρήγορη κατεύθυνση του άξονα.

Μια βελτιωμένη ευρυζωνική τεχνολογία λέιζερ θα ήταν η διαμόρφωση της δέσμης ώστε να έχει συμμετρική ποιότητα δέσμης (όχι μόνο την ακτίνα δέσμης) πριν την πυροδότηση της. Αυτό έχει επίσης ως αποτέλεσμα υψηλότερη φωτεινότητα.

Στις συστοιχίες διόδων, το πρόβλημα της ασύμμετρης ποιότητας δέσμης είναι ακόμη πιο σοβαρό. Η έξοδος κάθε πομπού μπορεί να συζευχθεί σε διαφορετική ίνα στη δέσμη ινών. Οι οπτικές ίνες είναι διατεταγμένες γραμμικά στη μία πλευρά της διάταξης διόδων, αλλά τα άκρα εξόδου είναι διατεταγμένα σε μια κυκλική διάταξη. Ένας διαμορφωτής δέσμης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επίτευξη συμμετρικής ποιότητας δέσμης πριν από την εκτόξευση της δοκού σε μια πολυτροπική ίνα. Αυτό επιτρέπει τη σύζευξη φωτός 30 W σε μια ίνα διαμέτρου 200 micron με αριθμητικό διάφραγμα 0,22. Αυτή η συσκευή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την άντληση λέιζερ Nd:YAG ή Nd:YVO4 για την απόκτηση ισχύος εξόδου περίπου 15W.

Σε στοίβες διόδων, χρησιμοποιούνται επίσης συνήθως ίνες με μεγαλύτερη διάμετρο πυρήνα. Αρκετές εκατοντάδες watt (ή ακόμα και αρκετά κιλοβάτ) φωτός μπορούν να συζευχθούν σε μια οπτική ίνα με διάμετρο πυρήνα 600 μικρά και αριθμητικό άνοιγμα 0,22.

Μειονεκτήματα της σύζευξης ινών.

Μερικά μειονεκτήματα των λέιζερ ημιαγωγών συζευγμένων με ίνες σε σύγκριση με τα λέιζερ ακτινοβολίας ελεύθερου χώρου περιλαμβάνουν:

υψηλότερο κόστος. Το κόστος μπορεί να μειωθεί εάν απλοποιηθούν οι διαδικασίες χειρισμού δέσμης και μετάδοσης.

Η ισχύς εξόδου είναι ελαφρώς μικρότερη και πιο σημαντικό είναι η φωτεινότητα. Η απώλεια φωτεινότητας είναι άλλοτε πολύ μεγάλη (μεγαλύτερη από μια τάξη μεγέθους) και άλλοτε μικρή, ανάλογα με την τεχνολογία σύζευξης ινών που χρησιμοποιείται. Σε ορισμένες περιπτώσεις αυτό δεν έχει σημασία, αλλά σε άλλες περιπτώσεις γίνεται πρόβλημα, όπως στη σχεδίαση χύδην λέιζερ με αντλία διόδου ή λέιζερ ινών υψηλής ισχύος.

Στις περισσότερες περιπτώσεις (ειδικά η πολυτροπική ίνα), η ίνα διατηρεί την πόλωση. Στη συνέχεια, το φως εξόδου της ίνας είναι μερικώς πολωμένο και εάν η ίνα μετακινηθεί ή αλλάξει η θερμοκρασία, θα αλλάξει και η κατάσταση πόλωσης. Εάν η απορρόφηση της αντλίας εξαρτάται από την πόλωση, αυτό μπορεί να δημιουργήσει σημαντικά προβλήματα σταθερότητας σε λέιζερ στερεάς κατάστασης που αντλούνται από δίοδο.