У багатьох додатках зручно підключати вихід лазерного діода до оптичного волокна, щоб доставляти світло туди, де це необхідно.
Переваги:
Світло, випромінюване волокном, має круглий, плавний (гомогенізований) профіль інтенсивності та симетричну якість променя, що дуже зручно в багатьох випадках. Наприклад, менш складна оптика потрібна для створення круглої плями накачування для твердотільного лазера з кінцевою накачуванням.
Лазерний діод можна зняти разом із його охолодженням, наприклад, із твердотільної лазерної головки, яка може бути компактнішою і залишити тут більше місця для інших частин.
Несправний волоконний діодний лазер можна легко замінити без зміни вирівнювання пристрою за допомогою світла.
Компоненти, пов’язані з волокном, можна легко комбінувати з іншими компонентами волокна.
Типи волоконних діодних лазерів
Багато діодних лазерів продаються у формі оптоволоконного зв’язку з надійною оптичною оптикою, вбудованою в корпус лазера (наприклад, постійне кріплення волокна для лазерного зварювання). Волокна та технології, що використовуються для різних діодних лазерів, дуже відрізняються:
Найпростішим випадком є VCSEL (поверхнево-випромінюючий лазер із вертикальною порожниною), який зазвичай випромінює промінь із високою якістю променя, помірною розбіжністю променя, без астигматизму та круговим розподілом інтенсивності. Для зображення точки випромінювання в серцевині одномодового волокна достатньо простої сферичної лінзи. Можна досягти ефективності зв’язку порядку 70-80%. Також можливо з’єднати (стик) волокно безпосередньо з випромінювальною поверхнею VCSEL.
Малі лазерні діоди з краєвим випромінюванням також випромінюють в одній просторовій моді і, таким чином, в принципі також дозволяють ефективно з’єднуватися з одномодовими волокнами. Однак, якщо використовується проста сферична лінза, ефективність зв'язку значно знижується через еліптичність променя. Крім того, розбіжність променя є відносно високою принаймні в одному напрямку, що вимагає лінз із відносно високою числовою апертурою. Іншою проблемою є астигматизм вихідного сигналу діода, особливо для діодів з підсиленням; це можна компенсувати додатковими слабкими циліндричними лінзами. З вихідною потужністю до кількох сотень міліват, волоконно-зв’язані LD з керованим підсиленням можна використовувати для накачування, наприклад, легованих ербієм волоконних підсилювачів.
Схематична установка простого волоконного малопотужного лазерного діода з краєвим випромінюванням. Сферична лінза (або, можливо, подвійна лінза) використовується для зображення грані лазерного діода в серцевині волокна. Еліптичність променя та астигматизм знижують ефективність зчеплення.
Широкозонні лазерні діоди є просторово багатомодовими в довгому напрямку емітера. Якщо круглому променю просто надати форму за допомогою циліндричної лінзи, а потім запустити його в багатомодове волокно, велика частина яскравості (світла) буде втрачена, оскільки якість високого променя в напрямку швидкої осі не може бути використана. Наприклад, 1 Вт потужності можна запустити в багатомодове волокно з діаметром серцевини 50 мкм і числовою апертурою (NA) 0,12. Цього достатньо для накачування об'ємних лазерів малої потужності, таких як лазери з мікросхемами. Можливі навіть запущені потужності 10 Вт.
Схематична установка простого оптоволоконного широкозонного лазерного діода. Для колімації променя в напрямку швидкої осі використовується волоконна лінза.
Покращена широкозонна лазерна технологія заснована на формуванні променя перед запуском для отримання симетричної якості променя (а не тільки симетричного радіуса променя). Це дозволяє підвищити яскравість.
Для діодних шин (діодних матриць) проблема асиметричної якості променя ще більш серйозна. Тут вихідні сигнали окремих випромінювачів можуть бути з’єднані в окремі волокна пучка волокон. Волокна розташовані в лінійному масиві з одного боку діодної шини, але в кільцевому масиві на вихідному кінці. Крім того, можна використати якийсь формувач променя, щоб зробити якість променя симетричною перед запуском в одне багатомодове волокно. Це можна зробити, наприклад, за допомогою дводзеркального формувача променя або якоїсь мікрооптики. Наприклад, 30 Вт можна з’єднати у волокно з діаметром серцевини 200-мкм (або навіть 100-мкм) і NA 0,22. Таку установку можна використовувати, наприклад, для накачування лазерів Nd:YAG або Nd:YVO 4 з вихідною потужністю близько 15 Вт.
Для діодної стеки використовуються волокна з більшим діаметром сердечника. Наприклад, сотні ват (або навіть кіловат) оптичної потужності можна поєднати у волокно з діаметром серцевини 600 мкм і NA=0.22.
Недоліки волоконного зчеплення
Деякі потенційні недоліки волоконно-зв’язаних діодних лазерів порівняно з лазерами, що випромінюють вільний простір, такі:
Вища вартість. Однак це може бути компенсовано економією, отриманою завдяки простішому поводженню та доставці променя.
Вихідна потужність трохи знижена, і що важливіше, яскравість. Втрата яскравості може бути великою (більше порядку величини) або досить малою залежно від техніки з’єднання волокна. У деяких випадках це може не бути проблемою, але в інших це створює значні проблеми, наприклад, для розробки об’ємного лазера з діодним накачуванням або високопотужного волоконного лазера.
У більшості випадків (особливо багатомодових волокон) волокно не зберігає поляризацію. Вихід волокна, як правило, буде частково поляризованим, і стан поляризації змінюватиметься, коли волокно переміщується або коли змінюється температура. Це може призвести до серйозних проблем зі стабільністю твердотільних лазерів з діодним накачуванням, коли поглинання накачки залежить від поляризації (наприклад, у Nd:YVO 4 ).
Оптоволоконні лазерні діоди також можуть бути недоступні для кожної оптичної довжини хвилі.
Якість вихідного променя волокна
Якість променя на виході оптоволокна зазвичай не вказується; у багатьох випадках відомі лише діаметр серцевини та числова апертура (NA), і передбачається багатомодове волокно зі ступінчастим індексом. У цьому випадку немає формули для точного розрахунку якості променя, оскільки воно залежить від розподілу оптичної потужності за модами волокна, яке саме залежить від умов запуску. Однак коефіцієнт якості променя M2 можна приблизно оцінити, припускаючи, що потужність добре розподілена за модами, і, отже, числова апертура представляє розумну оцінку фактичної розбіжності променя (яка може бути трохи вищою). Це призводить до рівняння M2≈(π /λ)ΝΑ, де a — радіус серцевини волокна (тобто половина діаметра серцевини). Якість променя також можна значно покращити, якщо світло запускається переважно в модах низького порядку волокна, але воно може бути погіршене сильним вигином волокна.
Наша адреса
B-1507 Ruiding Mansion, No.200 Zhenhua Rd, Xihu District
Номер телефону
0086 181 5840 0345
Електронна пошта
info@brandnew-china.com
