Vláknový polovodičový laser

Definice: Diodový laser, ve kterém je generované světlo připojeno do optického vlákna.

V mnoha případech je nutné propojit výstupní světlo z diodového laseru do optického vlákna, aby bylo světlo přenášeno tam, kde je potřeba. Vláknové polovodičové lasery mají následující výhody:

1. Křivka intenzity světla vyzařovaného z optického vlákna je obecně hladká a kruhová a kvalita paprsku je symetrická, což je velmi výhodné při použití. Například pro generování kruhových čerpacích bodů pro pevnolátkové lasery s koncovým čerpadlem se používá méně složitá optika.

2. Pokud se laserová dioda a její chladicí zařízení vyjmou z hlavy pevnolátkového laseru, laser se velmi zmenší a zbude dostatek místa pro umístění dalších optických částí.

3. Výměna nekvalifikovaných opticky vázaných polovodičových laserů nevyžaduje změnu uspořádání zařízení.

4. Optické spojovací zařízení se snadno používá v kombinaci s jinými zařízeními s optickými vlákny.

Typy polovodičových laserů s vlákny

Mnoho hotových diodových laserů je spřažených s vlákny a obsahuje velmi robustní optiku s optickými vlákny v laserovém obalu. Různé diodové lasery používají různá vlákna a technologie.

Nejjednodušším případem je, že VCSEL (Vertical Cavity Surface Radiation Laser) typicky vyzařuje paprsek s velmi vysokou kvalitou paprsku, střední divergenci paprsku, bez astigmatismu a kruhovou distribucí intenzity. Zobrazení radiační skvrny do jádra jednovidového vlákna vyžaduje jednoduchou sférickou čočku. Účinnost vazby může dosáhnout 70-80%. Optická vlákna mohou být také připojena přímo do vyzařovacího povrchu VCSEL.

Malé okrajově emitující laserové diody také vyzařují jeden prostorový režim a mohou se tak v principu efektivně spojovat do jednovidových vláken. Pokud se však použije pouze jednoduchá sférická čočka, elipticita paprsku značně sníží účinnost vazby. A úhel divergence paprsku je relativně velký alespoň v jednom směru, takže objektiv musí mít relativně velkou numerickou aperturu. Dalším problémem je astigmatismus přítomný ve výstupním světle diody, zejména diody naváděné ziskem, který lze kompenzovat použitím přídavné cylindrické čočky. Pokud výstupní výkon dosáhne několika stovek miliwattů, lze použít laserové diody s vláknem vázaným ziskem naváděné k pumpování erbiem dopovaných vláknových zesilovačů.

Obrázek 2: Schéma jednoduché nízkovýkonové vláknově vázané okrajově emitující laserové diody. Sférická čočka se používá k zobrazení světla vyzařovaného z povrchu laserové diody na jádro vlákna. Elipticita paprsku a astigmatismus snižují účinnost vazby.

Velkoplošné laserové diody jsou prostorově vícevidové ve směru záření. Pokud pouze vytvarujete kruhový paprsek válcovou čočkou (například vláknovou čočkou, jak je znázorněno na obrázku 3) a poté vstoupíte do multividového vlákna, většina jasu se ztratí, protože vysoce kvalitní paprsek ve směru rychlé osy Kvalitu nelze použít. Například světlo o výkonu 1W může vstupovat do multimódového vlákna s průměrem jádra 50 mikronů a numerickou aperturou 0,12. Toto světlo je dostatečné pro pumpování nízkovýkonového hromadného laseru, jako je mikročipový laser. Dokonce je možné vyzařovat 10W světla.

Obrázek 3: Schéma jednoduché opticky vázané velkoplošné laserové diody. Čočky z optických vláken se používají ke kolimaci světla ve směru rychlé osy.

Vylepšenou širokopásmovou laserovou technologií by bylo tvarování paprsku tak, aby měl symetrickou kvalitu paprsku (nejen poloměr paprsku) před jeho odpálením. To má za následek i vyšší jas.

V diodových polích je problém asymetrické kvality paprsku ještě vážnější. Výstup každého vysílače může být připojen k jinému vláknu ve svazku vláken. Optická vlákna jsou uspořádána lineárně na jedné straně diodového pole, ale výstupní konce jsou uspořádány v kruhovém poli. K dosažení symetrické kvality paprsku před spuštěním paprsku do multimódového vlákna lze použít tvarovač paprsku. To umožňuje připojení 30W světla do vlákna o průměru 200 mikronů s numerickou aperturou 0,22. Toto zařízení lze použít k čerpání laserů Nd:YAG nebo Nd:YVO4 k získání výstupního výkonu přibližně 15W.

V diodových svazcích se také běžně používají vlákna s větším průměrem jádra. Několik stovek wattů (nebo dokonce několik kilowattů) světla může být připojeno do optického vlákna s průměrem jádra 600 mikronů a numerickou aperturou 0,22.

Nevýhody spojky vláken.

Některé nevýhody polovodičových laserů s vláknovou vazbou ve srovnání s lasery záření ve volném prostoru zahrnují:

vyšší náklady. Náklady lze snížit, pokud se zjednoduší manipulace s paprskem a procesy přenosu.

Výstupní výkon je o něco menší a hlavně jas. Ztráta jasu je někdy velmi velká (větší než řádově) a někdy malá, v závislosti na použité technologii spojování vláken. V některých případech to nevadí, ale v jiných případech se to stává problémem, například při konstrukci diodově čerpaných hromadných laserů nebo vysokovýkonných vláknových laserů.

Ve většině případů (zejména multimodové vlákno) si vlákno zachovává polarizaci. Poté je výstupní světlo vlákna částečně polarizováno a pokud se vlákno posune nebo se změní teplota, změní se i stav polarizace. Pokud je absorpce čerpadla závislá na polarizaci, může to způsobit značné problémy se stabilitou u diodově čerpaných pevnolátkových laserů.