Kuitukytketty puolijohdelaser

Määritelmä: Diodilaser, jossa tuotettu valo kytketään optiseen kuituun.

Monissa tapauksissa on tarpeen kytkeä diodilaserin lähtövalo optiseen kuituun, jotta valo voidaan siirtää sinne, missä sitä tarvitaan. Kuitukytketyillä puolijohdelasereilla on seuraavat edut:

1. Optisesta kuidusta säteilevän valon intensiteettikäyrä on yleensä tasainen ja pyöreä, ja säteen laatu on symmetrinen, mikä on erittäin kätevää. Esimerkiksi vähemmän monimutkaista optiikkaa käytetään luomaan pyöreitä pumppupisteitä päätepumpatuille solid-state lasereille.

2. Jos laserdiodi ja sen jäähdytyslaite poistetaan solid-state laserpäästä, laserista tulee hyvin pieni ja tilaa on riittävästi muiden optisten osien sijoittamiseen.

3. Hyväksymättömien optisesti kytkettyjen puolijohdelasereiden vaihtaminen ei edellytä laitteen järjestelyn muuttamista.

4. Optista kytkentälaitetta on helppo käyttää yhdessä muiden kuituoptisten laitteiden kanssa.

Kuitukytketyt puolijohdelasertyypit

Monet valmiit diodilaserit ovat kuitukytkettyjä, ja niiden laserpaketissa on erittäin vankka kuitukytkentäinen optiikka. Eri diodilaserit käyttävät erilaisia ​​kuituja ja tekniikoita.

Yksinkertaisin tapaus on, että VCSEL (Vertical Cavity Surface Radiation Laser) säteilee tyypillisesti sädettä, jolla on erittäin korkea säteen laatu, keskipitkä säteen hajaantumisaste, ei astigmatismia ja pyöreä intensiteettijakauma. Säteilypisteen kuvantaminen yksimuotokuidun ytimeen vaatii yksinkertaisen pallomaisen linssin. Kytkentäteho voi olla 70-80%. Optiset kuidut voidaan kytkeä myös suoraan VCSEL:n säteilevään pintaan.

Pienet reunasäteilevät laserdiodit säteilevät myös yksittäistä tilamuotoa ja voivat siten periaatteessa kytkeytyä tehokkaasti yksimuotokuituiksi. Jos kuitenkin käytetään vain yksinkertaista pallomaista linssiä, säteen elliptisyys heikentää suuresti kytkentätehoa. Ja säteen hajaantumiskulma on suhteellisen suuri ainakin yhdessä suunnassa, joten linssillä on oltava suhteellisen suuri numeerinen aukko. Toinen ongelma on diodin, erityisesti vahvistusohjatun diodin, ulostulovalossa esiintyvä astigmatismi, jota voidaan kompensoida käyttämällä ylimääräistä sylinterimäistä linssiä. Jos lähtöteho saavuttaa useita satoja milliwatteja, kuitukytkentäisiä vahvistusohjattuja laserdiodeja voidaan käyttää pumppaamaan erbium-seostettuja kuituvahvistimia.

Kuva 2: Kaavio yksinkertaisesta pienitehoisesta kuitukytketystä reunasta emittoivasta laserdiodista. Pallomaista linssiä käytetään laserdiodin pinnasta säteilevän valon kuvaamiseen kuidun ytimeen. Säteen elliptisyys ja astigmatismi vähentävät kytkentätehoa.

Laaja-alaiset laserdiodit ovat spatiaalisesti monimuotoisia säteilyn suunnassa. Jos vain muotoilet pyöreän säteen sylinterimäisen linssin läpi (esimerkiksi kuitulinssin, kuten kuvassa 3) ja siirryt sitten monimuotokuituun, suurin osa kirkkaudesta menetetään, koska korkealaatuinen säde nopean akselin suunnassa Laatua ei voi käyttää. Esimerkiksi valoa, jonka teho on 1 W, voi päästä monimuotokuituun, jonka sydämen halkaisija on 50 mikronia ja numeerinen aukko 0,12. Tämä valo riittää pienitehoisen bulkkilaserin, kuten mikrosirulaserin, pumppaamiseen. Jopa 10 W valon lähettäminen on mahdollista.

Kuva 3: Kaavio yksinkertaisesta optisesti kytketystä laaja-alaisesta laserdiodista. Kuituoptisia linssejä käytetään kollimoimaan valoa nopean akselin suunnassa.

Parannettu laajakaistalasertekniikka olisi muotoilla säteen symmetrinen säteen laatu (ei vain säteen säde) ennen sen ampumista. Tämä lisää myös kirkkautta.

Diodiryhmissä epäsymmetrisen säteen laadun ongelma on vielä vakavampi. Kunkin lähettimen lähtö voidaan kytkeä eri kuituun kuitukimppuun. Optiset kuidut on järjestetty lineaarisesti diodiryhmän yhdelle puolelle, mutta lähtöpäät on järjestetty pyöreäksi ryhmäksi. Säteen muotoilijalla voidaan saavuttaa symmetrinen säteen laatu ennen säteen laukaistamista monimuotokuituun. Tämä mahdollistaa 30 W valon kytkemisen halkaisijaltaan 200 mikronia olevaan kuituun, jonka numeerinen aukko on 0,22. Tällä laitteella voidaan pumpata Nd:YAG- tai Nd:YVO4-lasereita, jolloin saadaan noin 15 W:n lähtöteho.

Diodipinoissa käytetään yleisesti myös kuituja, joilla on suurempi sydänhalkaisija. Useita satoja watteja (tai jopa useita kilowatteja) valoa voidaan kytkeä optiseen kuituun, jonka sydämen halkaisija on 600 mikronia ja numeerinen aukko 0,22.

Kuituliitoksen haitat.

Joitakin kuitukytkentäisten puolijohdelaserien haittoja vapaan tilan säteilylasereihin verrattuna ovat:

korkeammat kustannukset. Kustannuksia voidaan vähentää, jos säteen käsittely- ja siirtoprosesseja yksinkertaistetaan.

Lähtöteho on hieman pienempi ja vielä tärkeämpää kirkkaus. Kirkkauden menetys on joskus erittäin suuri (suuruusluokkaa suurempi) ja joskus pieni riippuen käytetystä kuidun kytkentätekniikasta. Joissakin tapauksissa tällä ei ole väliä, mutta toisissa tapauksissa siitä tulee ongelma, kuten diodipumpattujen bulkkilaserien tai suuritehoisten kuitulaserien suunnittelussa.

Useimmissa tapauksissa (etenkin monimuotokuitu) kuitu on polarisaatiota ylläpitävä. Tällöin kuidun lähtövalo on osittain polarisoitunut, ja jos kuitua liikutetaan tai lämpötila muuttuu, myös polarisaatiotila muuttuu. Jos pumpun absorptio on polarisaatiosta riippuvainen, tämä voi aiheuttaa merkittäviä stabiilisuusongelmia diodipumpatuissa solid-state lasereissa.