En moltes aplicacions, és convenient acoblar la sortida d'un díode làser a una fibra òptica per lliurar la llum on es necessita.
Avantatges:
La llum emesa per la fibra té un perfil d'intensitat rodó i suau (homogeneïtzada) i una qualitat de feix simètrica, que és molt convenient en molts casos. Per exemple, es necessiten òptiques menys complexes per produir un punt de bomba rodona per a un làser d'estat sòlid bombat a l'extrem.
El díode làser es pot treure juntament amb el seu refredament, per exemple d'un capçal làser d'estat sòlid, que pot ser més compacte i deixar més espai per a altres peces aquí.
Un làser de díode acoblat a fibra defectuós es pot substituir fàcilment sense canviar l'alineació del dispositiu amb la llum.
Els components acoblats a fibra es poden combinar fàcilment amb altres components de fibra.
Tipus de làsers de díode acoblat a fibra
Molts làsers de díode es venen en forma d'acoblament de fibra, amb una robusta òptica d'acoblament de fibra integrada al paquet làser (p. ex., unió permanent de fibra de soldadura làser). Les fibres i tecnologies utilitzades per a diferents làsers de díode varien molt:
El cas més senzill és el VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), que normalment emet un feix amb alta qualitat del feix, divergència del feix moderada, sense astigmatisme i una distribució d'intensitat circular. Una simple lent esfèrica és suficient per a la imatge del punt d'emissió al nucli d'una fibra monomode. Es poden aconseguir eficiències d'acoblament de l'ordre del 70-80%. També és possible acoblar (unió a tope) la fibra directament a la superfície emissora del VCSEL.
Els petits díodes làser emissors de vora també emeten en un sol mode espacial i, per tant, en principi també permeten un acoblament eficient a fibres monomode. Tanmateix, si s'utilitza una lent esfèrica simple, l'eficiència d'acoblament es redueix significativament per l'el·lipticitat del feix. A més, la divergència del feix és relativament alta en almenys una direcció, i requereixen lents amb una obertura numèrica relativament alta. Un altre problema és l'astigmatisme de la sortida del díode, especialment per als díodes guiats per guany; això es pot compensar amb lents cilíndriques febles addicionals. Amb potències de sortida de fins a uns pocs centenars de mil·liwatts, es poden utilitzar LDs guiats per guany acoblats per fibra per bombar, per exemple, amplificadors de fibra dopat amb erbi.
Configuració esquemàtica d'un díode làser de baixa potència acoblat a fibra senzilla. S'utilitza una lent esfèrica (o possiblement una lent doble) per visualitzar la faceta del díode làser al nucli de la fibra. L'el·lipticitat del feix i l'astigmatisme redueixen l'eficiència d'acoblament.
Els díodes làser d'àrea àmplia són espacialment multimodes en la direcció llarga de l'emissor. Si el feix rodó es forma simplement amb una lent cilíndrica i després es llança a una fibra multimode, es perdrà gran part de la brillantor (la radiació) perquè no es pot explotar l'alta qualitat del feix en la direcció de l'eix ràpid. Per exemple, es pot llançar 1 W de potència a una fibra multimode amb un diàmetre central de 50 μm i una obertura numèrica (NA) de 0,12. Això és suficient per bombejar làsers a granel de baixa potència, com ara làsers de microxip. Fins i tot són possibles potències llançades de 10 W.
Configuració esquemàtica d'un díode làser d'àrea àmplia acoblat a fibres simple. S'utilitza una lent de fibra per col·limar el feix en la direcció de l'eix ràpid.
Una tecnologia làser d'àrea àmplia millorada es basa en donar forma al feix abans del llançament per obtenir una qualitat de feix simètric (no només un radi de feix simètric). Això permet una major brillantor.
Per a les barres de díodes (matrius de díodes), el problema de la qualitat del feix asimètric és encara més greu. Aquí, les sortides dels emissors individuals es poden acoblar en fibres separades d'un paquet de fibres. Les fibres estan disposades en una matriu lineal a un costat de la barra de díode, però en una matriu circular a l'extrem de sortida. Alternativament, es pot utilitzar algun tipus de formador de feix per fer que la qualitat del feix sigui simètrica abans de llançar-se a una única fibra multimode. Això es pot fer, per exemple, amb un modelador de feix de dos miralls o algunes microòptiques. Per exemple, 30 W es poden acoblar a una fibra amb un diàmetre central de 200-μm (o fins i tot 100-μm) i un NA de 0,22. Aquesta configuració es pot utilitzar, per exemple, per bombejar làsers Nd:YAG o Nd:YVO 4 amb una potència de sortida d'uns 15 W.
Per a la pila de díodes, s'utilitzen fibres amb un diàmetre de nucli més gran. Per exemple, es poden acoblar centenars de watts (o fins i tot quilowatts) de potència òptica en una fibra amb un diàmetre de nucli de 600 μm i un NA=0.22.
Desavantatges de l'acoblament de fibra
Alguns desavantatges potencials dels làsers de díode acoblat a fibra en comparació amb els làsers que emeten espai lliure són:
Cost més elevat. No obstant això, això es pot compensar amb els estalvis obtinguts amb una manipulació i lliurament més senzilles del feix.
La potència de sortida es redueix lleugerament i, el que és més important, la brillantor. La pèrdua de radiació pot ser gran (més d'un ordre de magnitud) o força petita, depenent de la tècnica d'acoblament de fibres. En alguns casos això pot no ser un problema, però en d'altres introdueix reptes importants, com ara el disseny d'un làser a granel bombejat per díode o làser de fibra d'alta potència.
En la majoria dels casos (especialment fibres multimode), la fibra no manté la polarització. La sortida de la fibra normalment estarà parcialment polaritzada i l'estat de polarització canviarà quan la fibra es mogui o quan canviï la temperatura. Això pot provocar greus problemes d'estabilitat per als làsers d'estat sòlid bombejats amb díodes quan l'absorció de la bomba depèn de la polarització (com ara Nd:YVO 4 ).
És possible que els productes de díodes làser acoblats a fibra tampoc no estiguin disponibles per a totes les longituds d'ona òptica.
Qualitat del feix de sortida de fibra
La qualitat del feix de la sortida de fibra normalment no s'especifica; en molts casos només es coneixen el diàmetre del nucli i l'obertura numèrica (NA), i s'assumeix una fibra multimode d'índex de pas. En aquest cas, no hi ha una fórmula per calcular exactament la qualitat del feix, ja que depèn de la distribució de potència òptica sobre els modes de fibra, que depèn de les condicions de llançament. Tanmateix, el factor de qualitat del feix M2 es pot estimar aproximadament, suposant que la potència està ben distribuïda entre els modes i, per tant, l'obertura numèrica representa una estimació raonable de la divergència del feix real (que pot ser lleugerament superior). Això condueix a l'equació M2≈(π /λ)ΝΑ, on a és el radi del nucli de la fibra (és a dir, la meitat del diàmetre del nucli). La qualitat del feix també es pot millorar significativament si la llum es llança principalment en modes de fibra guiada de baix ordre, però es pot degradar per una forta flexió de la fibra.
La nostra adreça
B-1507 Mansió Ruiding, núm. 200 Zhenhua Rd, districte de Xihu
Número de telèfon
0086 181 5840 0345
Correu electrònic
info@brandnew-china.com
