Fiberkoblet halvlederlaser

Definisjon: En diodelaser der lyset som genereres kobles til en optisk fiber.

I mange tilfeller er det nødvendig å koble utgangslyset fra en diodelaser inn i en optisk fiber slik at lyset kan sendes dit det trengs. Fiberkoblede halvlederlasere har følgende fordeler:

1. Intensitetskurven til lyset som sendes ut fra den optiske fiberen er generelt jevn og sirkulær, og strålekvaliteten er symmetrisk, noe som er veldig praktisk i applikasjonen. For eksempel brukes mindre kompleks optikk for å generere sirkulære pumpeflekker for endepumpede solid-state lasere.

2. Hvis laserdioden og dens kjøleanordning fjernes fra solid-state laserhodet, blir laseren veldig liten og det er nok plass til å plassere andre optiske deler.

3. Utskifting av ukvalifiserte optisk koblede halvlederlasere krever ikke endring av enhetens arrangement.

4. Den optiske koplingsenheten er enkel å bruke i kombinasjon med andre fiberoptiske enheter.

Fiberkoblede halvlederlasertyper

Mange ferdige diodelasere er fiberkoblede, og inneholder svært robust fiberkoblet optikk i laserpakken. Ulike diodelasere bruker forskjellige fibre og teknologier.

Det enkleste tilfellet er at en VCSEL (Vertical Cavity Surface Radiation Laser) vanligvis utstråler en stråle med svært høy strålekvalitet, middels stråledivergens, ingen astigmatisme og en sirkulær intensitetsfordeling. Å avbilde strålingsflekken inn i kjernen av en enkeltmodusfiber krever en enkel sfærisk linse. Koblingseffektiviteten kan nå 70-80%. Optiske fibre kan også kobles direkte inn i den utstrålende overflaten til VCSEL.

Små kant-emitterende laserdioder utstråler også en enkelt romlig modus og kan dermed i prinsippet kobles effektivt inn i enkeltmodusfibre. Imidlertid, hvis bare en enkel sfærisk linse brukes, vil elliptisiteten til strålen i stor grad redusere koblingseffektiviteten. Og stråledivergensvinkelen er relativt stor i minst én retning, så objektivet må ha en relativt stor numerisk blenderåpning. Et annet problem er astigmatismen i utgangslyset til dioden, spesielt den forsterkningsstyrte dioden, som kan kompenseres ved å bruke en ekstra sylindrisk linse. Hvis utgangseffekten når flere hundre milliwatt, kan fiberkoblede gain-guidede laserdioder brukes til å pumpe erbium-dopet fiberforsterkere.

Figur 2: Skjematisk av en enkel laveffekt fiberkoblet kant-emitterende laserdiode. Den sfæriske linsen brukes til å avbilde lyset som sendes ut fra overflaten av laserdioden på fiberkjernen. Stråleelliptisitet og astigmatisme reduserer koblingseffektiviteten.

Laserdioder med stort område er romlig multi-modus i strålingsretningen. Hvis du bare former den sirkulære strålen gjennom en sylindrisk linse (for eksempel en fiberlinse, som vist i figur 3) og deretter går inn i multimodusfiberen, vil mesteparten av lysstyrken gå tapt fordi strålen av høy kvalitet i hurtigakseretningen Kvalitet kan ikke brukes. For eksempel kan lys med en effekt på 1W gå inn i en multimodusfiber med en kjernediameter på 50 mikron og en numerisk blenderåpning på 0,12. Dette lyset er tilstrekkelig til å pumpe en laveffekt bulklaser, for eksempel en mikrobrikkelaser. Selv å sende ut 10W lys er mulig.

Figur 3: Skjematisk av en enkel optisk koblet laserdiode med stort område. Fiberoptiske linser brukes til å kollimere lys i hurtigakseretningen.

En forbedret bredbåndslaserteknologi vil være å forme strålen til å ha en symmetrisk strålekvalitet (ikke bare stråleradiusen) før den avfyres. Dette resulterer også i høyere lysstyrke.

I diodearrayer er problemet med asymmetrisk strålekvalitet enda mer alvorlig. Utgangen fra hver sender kan kobles til en annen fiber i fiberbunten. De optiske fibrene er anordnet lineært på den ene siden av diodegruppen, men utgangsendene er anordnet i en sirkulær gruppe. En stråleformer kan brukes for å oppnå symmetrisk strålekvalitet før strålen sendes inn i en multimodusfiber. Dette gjør at 30W lys kan kobles til en fiber med en diameter på 200 mikron med en numerisk blenderåpning på 0,22. Denne enheten kan brukes til å pumpe Nd:YAG- eller Nd:YVO4-lasere for å oppnå en utgangseffekt på omtrent 15W.

I diodestabler er det også vanlig å bruke fibre med større kjernediameter. Flere hundre watt (eller til og med flere kilowatt) lys kan kobles til en optisk fiber med en kjernediameter på 600 mikron og en numerisk blenderåpning på 0,22.

Ulemper med fiberkobling.

Noen ulemper med fiberkoblede halvlederlasere sammenlignet med strålingslasere med ledig plass inkluderer:

høyere kostnad. Kostnadene kan reduseres dersom strålehåndteringen og overføringsprosessene forenkles.

Utgangseffekten er litt mindre og enda viktigere lysstyrken. Tapet av lysstyrke er noen ganger veldig stort (større enn en størrelsesorden) og noen ganger lite, avhengig av fiberkoblingsteknologien som brukes. I noen tilfeller spiller dette ingen rolle, men i andre tilfeller blir det et problem, for eksempel ved design av diodepumpede bulklasere eller høyeffektfiberlasere.

I de fleste tilfeller (spesielt multimodusfiber) opprettholder fiberen polarisasjonen. Da er utgangslyset til fiberen delvis polarisert, og hvis fiberen flyttes eller temperaturen endres, vil polarisasjonstilstanden også endre seg. Hvis pumpeabsorpsjonen er polarisasjonsavhengig, kan dette skape betydelige stabilitetsproblemer i diodepumpede solid-state lasere.