Полупроводников лазер с оптично влакно

Определение: диоден лазер, при който генерираната светлина се свързва в оптично влакно.

В много случаи е необходимо да се свърже изходната светлина от диоден лазер към оптично влакно, така че светлината да може да се предава там, където е необходима. Влакнесто-свързаните полупроводникови лазери имат следните предимства:

1. Кривата на интензитета на светлината, излъчвана от оптичното влакно, обикновено е гладка и кръгла, а качеството на лъча е симетрично, което е много удобно при приложение. Например, по-малко сложна оптика се използва за генериране на кръгли изпомпвани петна за твърдотелни лазери с крайно изпомпване.

2. Ако лазерният диод и неговото охлаждащо устройство се отстранят от твърдотелната лазерна глава, лазерът става много малък и има достатъчно място за поставяне на други оптични части.

3. Подмяната на неквалифицирани оптично свързани полупроводникови лазери не изисква промяна на разположението на устройството.

4. Устройството за оптично свързване е лесно за използване в комбинация с други устройства с оптични влакна.

Типове полупроводникови лазери с оптично влакно

Много завършени диодни лазери са свързани с влакна, съдържащи много здрава оптика, свързана с влакна в лазерния пакет. Различните диодни лазери използват различни влакна и технологии.

Най-простият случай е, че VCSEL (повърхностен радиационен лазер с вертикална кухина) обикновено излъчва лъч с много високо качество на лъча, средна дивергенция на лъча, без астигматизъм и кръгово разпределение на интензитета. Изобразяването на радиационното петно ​​в сърцевината на едномодово влакно изисква проста сферична леща. Ефективността на свързване може да достигне 70-80%. Оптичните влакна също могат да бъдат свързани директно към излъчващата повърхност на VCSEL.

Малките лазерни диоди, излъчващи край, също излъчват единичен пространствен режим и по този начин могат по принцип да се свързват ефективно в едномодови влакна. Въпреки това, ако се използва само обикновена сферична леща, елиптичността на лъча ще намали значително ефективността на свързване. И ъгълът на отклонение на лъча е относително голям в поне една посока, така че лещата трябва да има относително голяма цифрова апертура. Друг проблем е астигматизмът, присъстващ в изходната светлина на диода, особено диода с насочване на усилването, който може да бъде компенсиран чрез използване на допълнителна цилиндрична леща. Ако изходната мощност достигне няколкостотин миливата, свързаните с влакна лазерни диоди с насочване на усилването могат да се използват за изпомпване на влакнести усилватели, легирани с ербий.

Фигура 2: Схема на прост лазерен диод с ниска мощност, свързан с влакна, излъчващ край. Сферичната леща се използва за изобразяване на светлината, излъчвана от повърхността на лазерния диод върху сърцевината на влакното. Елиптичността на лъча и астигматизмът намаляват ефективността на свързване.

Лазерните диоди с голяма площ са пространствено многомодови по посока на излъчване. Ако просто оформите кръговия лъч през цилиндрична леща (например влакнеста леща, както е показано на фигура 3) и след това въведете многомодовото влакно, по-голямата част от яркостта ще бъде загубена, тъй като висококачественият лъч в посоката на бързата ос Качеството не може да се използва. Например, светлина с мощност 1W може да влезе в многомодово влакно с диаметър на сърцевината 50 микрона и числова апертура 0,12. Тази светлина е достатъчна за изпомпване на масов лазер с ниска мощност, като лазер с микрочип. Възможно е дори излъчване на 10W светлина.

Фигура 3: Схема на прост оптично свързан лазерен диод с голяма площ. Оптичните лещи се използват за колимиране на светлината в посоката на бързата ос.

Една подобрена широколентова лазерна технология би била да оформя лъча, за да има симетрично качество на лъча (не само радиуса на лъча), преди да го изстреля. Това също води до по-висока яркост.

При диодните матрици проблемът с качеството на асиметричния лъч е още по-сериозен. Изходът на всеки предавател може да бъде свързан към различно влакно в снопа от влакна. Оптичните влакна са подредени линейно от едната страна на диодната матрица, но изходните краища са подредени в кръгова матрица. Може да се използва устройство за оформяне на лъча, за да се постигне симетрично качество на лъча, преди да се пусне лъчът в многомодово влакно. Това позволява 30 W светлина да бъде свързана към влакно с диаметър 200 микрона с числова апертура 0,22. Това устройство може да се използва за изпомпване на Nd:YAG или Nd:YVO4 лазери за получаване на изходна мощност от приблизително 15 W.

В диодните стекове често се използват и влакна с по-големи диаметри на сърцевината. Няколкостотин вата (или дори няколко киловата) светлина могат да бъдат свързани в оптично влакно с диаметър на сърцевината от 600 микрона и числова апертура от 0,22.

Недостатъци на свързването на влакна.

Някои недостатъци на влакнесто-свързаните полупроводникови лазери в сравнение с радиационните лазери в свободното пространство включват:

по-висока цена. Разходите могат да бъдат намалени, ако процесите на обработка и предаване на лъча се опростят.

Изходната мощност е малко по-малка и по-важното е яркостта. Загубата на яркост понякога е много голяма (по-голяма от един порядък), а понякога малка, в зависимост от използваната технология за свързване на влакна. В някои случаи това няма значение, но в други случаи се превръща в проблем, като например при проектирането на обемни лазери с диодна помпа или високомощни влакнести лазери.

В повечето случаи (особено многомодово влакно), влакното поддържа поляризация. Тогава изходната светлина на влакното е частично поляризирана и ако влакното се премести или температурата се промени, състоянието на поляризация също ще се промени. Ако абсорбцията на помпата зависи от поляризацията, това може да създаде значителни проблеми със стабилността в твърдотелни лазери с диодна помпа.