Оптоволоконний напівпровідниковий лазер

Визначення: діодний лазер, у якому генероване світло подається на оптичне волокно.

У багатьох випадках необхідно поєднати вихідне світло від діодного лазера в оптичне волокно, щоб світло можна було передати туди, де це необхідно. Напівпровідникові лазери з оптоволокном мають такі переваги:

1. Крива інтенсивності світла, що випромінюється з оптичного волокна, як правило, гладка та кругла, а якість променя є симетричною, що дуже зручно у застосуванні. Наприклад, менш складна оптика використовується для створення круглих плям накачки для твердотільних лазерів із кінцевою накачкою.

2. Якщо лазерний діод і його пристрій охолодження вийняти з головки твердотільного лазера, лазер стане дуже маленьким і залишиться достатньо місця для розміщення інших оптичних частин.

3. Заміна некваліфікованих напівпровідникових лазерів з оптичним зв'язком не потребує зміни компонування пристрою.

4. Пристрій оптичного сполучення простий у використанні в поєднанні з іншими волоконно-оптичними пристроями.

Типи напівпровідникових лазерів із волоконним зв’язком

Багато готових діодних лазерів мають волоконний зв’язок і містять дуже надійну волоконну оптику в корпусі лазера. Різні діодні лазери використовують різні волокна та технології.

Найпростіший випадок полягає в тому, що VCSEL (лазер із вертикальним випромінюванням поверхні порожнини) зазвичай випромінює промінь із дуже високою якістю променя, середньою розбіжністю променя, без астигматизму та круговим розподілом інтенсивності. Для зображення радіаційної плями в серцевині одномодового волокна потрібна проста сферична лінза. Ефективність зчеплення може досягати 70-80%. Оптичні волокна також можуть бути підключені безпосередньо до випромінюючої поверхні VCSEL.

Невеликі лазерні діоди з краєвим випромінюванням також випромінюють одну просторову моду і, таким чином, можуть, в принципі, ефективно з’єднуватися в одномодові волокна. Однак, якщо використовується лише проста сферична лінза, еліптичність променя значно зменшить ефективність зв’язку. І кут розбіжності променя є відносно великим принаймні в одному напрямку, тому об’єктив повинен мати відносно велику числову апертуру. Іншою проблемою є астигматизм, присутній у вихідному світлі діода, особливо діода з підсиленням, який можна компенсувати за допомогою додаткової циліндричної лінзи. Якщо вихідна потужність досягає кількох сотень міліват, волоконно-зв’язані лазерні діоди з підсиленням можна використовувати для накачування легованих ербієм волоконних підсилювачів.

Рисунок 2: Схема простого малопотужного лазерного діода з оптоволокном. Сферична лінза використовується для зображення світла, що випромінюється з поверхні лазерного діода, на серцевину волокна. Еліптичність променя та астигматизм знижують ефективність зчеплення.

Лазерні діоди великої площі є просторово багатомодовими за напрямком випромінювання. Якщо ви просто сформуєте круглий промінь через циліндричну лінзу (наприклад, волоконну лінзу, як показано на малюнку 3), а потім увімкнете багатомодове волокно, більша частина яскравості буде втрачена, оскільки високоякісний промінь у напрямку швидкої осі Якістю не можна користуватися. Наприклад, світло потужністю 1 Вт може проникати в багатомодове волокно з діаметром серцевини 50 мікрон і числовою апертурою 0,12. Цього світла достатньо для накачування об’ємного лазера малої потужності, такого як мікрочіп-лазер. Можливе випромінювання навіть 10 Вт світла.

Малюнок 3: Схема простого оптично пов’язаного лазерного діода великої площі. Волоконно-оптичні лінзи використовуються для колімації світла в напрямку швидкої осі.

Удосконалена широкосмугова лазерна технологія полягала б у формуванні променя так, щоб він мав симетричну якість (а не тільки радіус променя) перед тим, як запускати його. Це також призводить до підвищення яскравості.

У діодних матрицях проблема асиметричної якості променя ще більш серйозна. Вихід кожного передавача може бути підключений до іншого волокна в пучку волокон. Оптичні волокна розташовані лінійно з одного боку діодної матриці, але вихідні кінці розташовані у формі кільця. Формувач променя можна використовувати для досягнення симетричної якості променя перед запуском променя в багатомодове волокно. Це дозволяє поєднати 30 Вт світла у волокно діаметром 200 мікрон із числовою апертурою 0,22. Цей пристрій можна використовувати для накачування лазерів Nd:YAG або Nd:YVO4 для отримання вихідної потужності приблизно 15 Вт.

У діодних стеках також зазвичай використовуються волокна з більшим діаметром сердечника. Кілька сотень ват (або навіть кілька кіловат) світла можна поєднати в оптичне волокно з діаметром серцевини 600 мікрон і числовою апертурою 0,22.

Недоліки волоконного зчеплення.

Деякі недоліки волоконно-зв’язаних напівпровідникових лазерів порівняно з лазерами вільного простору випромінювання включають:

більш висока вартість. Витрати можна зменшити, якщо спростити процеси обробки та передачі променя.

Вихідна потужність трохи менша і, що більш важливо, яскравість. Втрата яскравості іноді дуже велика (більше, ніж на порядок), а іноді мала, залежно від використовуваної технології з’єднання волокна. У деяких випадках це не має значення, але в інших випадках це стає проблемою, наприклад, при розробці об’ємних лазерів з діодним накачуванням або волоконних лазерів високої потужності.

У більшості випадків (особливо багатомодове волокно) волокно зберігає поляризацію. Тоді вихідне світло волокна частково поляризується, і якщо волокно переміщується або змінюється температура, стан поляризації також зміниться. Якщо поглинання накачки залежить від поляризації, це може створити значні проблеми зі стабільністю в твердотільних лазерах з діодним накачуванням.