Fiberkoblet halvlederlaser

Definition: En diodelaser, hvor det genererede lys kobles til en optisk fiber.

I mange tilfælde er det nødvendigt at koble udgangslyset fra en diodelaser ind i en optisk fiber, så lyset kan transmitteres derhen, hvor det er nødvendigt. Fiberkoblede halvlederlasere har følgende fordele:

1. Intensitetskurven for lyset, der udsendes fra den optiske fiber, er generelt glat og cirkulær, og strålekvaliteten er symmetrisk, hvilket er meget praktisk i anvendelsen. For eksempel bruges mindre kompleks optik til at generere cirkulære pumpepletter til endepumpede solid-state lasere.

2. Hvis laserdioden og dens køleanordning fjernes fra solid-state laserhovedet, bliver laseren meget lille, og der er plads nok til at placere andre optiske dele.

3. Udskiftning af ukvalificerede optisk koblede halvlederlasere kræver ikke ændring af enhedens arrangement.

4. Den optiske koblingsenhed er nem at bruge i kombination med andre fiberoptiske enheder.

Fiberkoblede halvlederlasertyper

Mange færdige diodelasere er fiberkoblede, der indeholder meget robust fiberkoblet optik i laserpakken. Forskellige diodelasere bruger forskellige fibre og teknologier.

Det enkleste tilfælde er, at en VCSEL (Vertical Cavity Surface Radiation Laser) typisk udstråler en stråle med meget høj strålekvalitet, medium stråledivergens, ingen astigmatisme og en cirkulær intensitetsfordeling. Billeddannelse af strålingspletten ind i kernen af ​​en single-mode fiber kræver en simpel sfærisk linse. Koblingseffektiviteten kan nå 70-80%. Optiske fibre kan også kobles direkte ind i den udstrålende overflade af VCSEL.

Små kant-emitterende laserdioder udstråler også en enkelt rumlig mode og kan således i princippet kobles effektivt ind i single-mode fibre. Men hvis der kun anvendes en simpel sfærisk linse, vil strålens elliptiske effekt reducere koblingseffektiviteten betydeligt. Og stråledivergensvinklen er relativt stor i mindst én retning, så objektivet skal have en relativt stor numerisk blænde. Et andet problem er astigmatismen i diodens udgangslys, især den forstærkningsstyrede diode, som kan kompenseres ved at bruge en ekstra cylindrisk linse. Hvis udgangseffekten når op på flere hundrede milliwatt, kan fiberkoblede gain-guidede laserdioder bruges til at pumpe erbium-doterede fiberforstærkere.

Figur 2: Skematisk af en simpel lav-effekt fiber-koblet kant-emitterende laserdiode. Den sfæriske linse bruges til at afbilde lyset, der udsendes fra overfladen af ​​laserdioden, på fiberkernen. Strålellipticitet og astigmatisme reducerer koblingseffektiviteten.

Laserdioder med stort område er rumligt multi-mode i strålingsretningen. Hvis du bare former den cirkulære stråle gennem en cylindrisk linse (for eksempel en fiberlinse, som vist i figur 3) og derefter går ind i multimode-fiberen, vil det meste af lysstyrken gå tabt, fordi højkvalitetsstrålen i den hurtige akseretning Kvalitet kan ikke bruges. For eksempel kan lys med en effekt på 1W trænge ind i en multimode fiber med en kernediameter på 50 mikron og en numerisk blænde på 0,12. Dette lys er tilstrækkeligt til at pumpe en laveffekt bulklaser, såsom en mikrochiplaser. Selv udsendelse af 10W lys er muligt.

Figur 3: Skematisk af en simpel optisk koblet laserdiode med stort område. Fiberoptiske linser bruges til at kollimere lys i den hurtige akseretning.

En forbedret bredbåndslaserteknologi ville være at forme strålen til at have en symmetrisk strålekvalitet (ikke kun stråleradius), før den affyres. Dette resulterer også i højere lysstyrke.

I diodearrays er problemet med asymmetrisk strålekvalitet endnu mere alvorligt. Udgangen fra hver sender kan kobles til en anden fiber i fiberbundtet. De optiske fibre er arrangeret lineært på den ene side af diode-arrayet, men output-enderne er arrangeret i et cirkulært array. En stråleformer kan bruges til at opnå symmetrisk strålekvalitet, før strålen sendes ind i en multimode fiber. Dette gør det muligt at koble 30W lys til en fiber med en diameter på 200 mikron med en numerisk blænde på 0,22. Denne enhed kan bruges til at pumpe Nd:YAG- eller Nd:YVO4-lasere for at opnå en udgangseffekt på cirka 15W.

I diodestak er fibre med større kernediametre også almindeligt anvendt. Flere hundrede watt (eller endda flere kilowatt) lys kan kobles til en optisk fiber med en kernediameter på 600 mikron og en numerisk blænde på 0,22.

Ulemper ved fiberkobling.

Nogle ulemper ved fiberkoblede halvlederlasere sammenlignet med frirumsstrålingslasere omfatter:

højere omkostninger. Omkostningerne kan reduceres, hvis strålehåndteringen og transmissionsprocessen forenkles.

Udgangseffekten er lidt mindre og endnu vigtigere lysstyrken. Tabet af lysstyrke er nogle gange meget stort (større end en størrelsesorden) og nogle gange lille, afhængigt af den anvendte fiberkoblingsteknologi. I nogle tilfælde er dette ligegyldigt, men i andre tilfælde bliver det et problem, såsom ved design af diodepumpede bulklasere eller højeffektfiberlasere.

I de fleste tilfælde (især multimode-fiber) holder fiberen polarisering. Så er fiberens udgangslys delvist polariseret, og hvis fiberen flyttes eller temperaturen ændres, vil polarisationstilstanden også ændre sig. Hvis pumpeabsorptionen er polarisationsafhængig, kan dette skabe betydelige stabilitetsproblemer i diodepumpede solid-state lasere.