Vláknový polovodičový laser

Definícia: Diódový laser, v ktorom je generované svetlo spojené do optického vlákna.

V mnohých prípadoch je potrebné pripojiť výstupné svetlo z diódového lasera do optického vlákna, aby sa svetlo prenieslo tam, kde je to potrebné. Vláknové polovodičové lasery majú nasledujúce výhody:

1. Krivka intenzity svetla vyžarovaného z optického vlákna je vo všeobecnosti hladká a kruhová a kvalita lúča je symetrická, čo je veľmi výhodné pri aplikácii. Napríklad, menej komplexná optika sa používa na generovanie kruhových čerpacích bodov pre pevnolátkové lasery s koncovým čerpaním.

2. Ak sa laserová dióda a jej chladiace zariadenie odstráni z hlavy pevnolátkového lasera, laser sa veľmi zmenší a zostane dostatok miesta na umiestnenie ďalších optických častí.

3. Výmena nekvalifikovaných opticky viazaných polovodičových laserov si nevyžaduje zmenu usporiadania zariadenia.

4. Optické spojovacie zariadenie sa ľahko používa v kombinácii s inými zariadeniami s optickými vláknami.

Typy polovodičových laserov s vláknovou väzbou

Mnohé hotové diódové lasery sú spojené vláknami, pričom v laserovom obale obsahujú veľmi robustnú optiku s optickými vláknami. Rôzne diódové lasery používajú rôzne vlákna a technológie.

Najjednoduchším prípadom je, že VCSEL (Vertical Cavity Surface Radiation Laser) typicky vyžaruje lúč s veľmi vysokou kvalitou lúča, strednou divergenciou lúča, bez astigmatizmu a kruhovým rozložením intenzity. Zobrazenie radiačnej škvrny do jadra jednovidového vlákna vyžaduje jednoduchú sférickú šošovku. Účinnosť spojenia môže dosiahnuť 70-80%. Optické vlákna môžu byť tiež pripojené priamo do vyžarovacieho povrchu VCSEL.

Malé okrajovo vyžarujúce laserové diódy tiež vyžarujú jeden priestorový režim a môžu sa teda v princípe efektívne spájať do jednovidových vlákien. Ak sa však použije iba jednoduchá sférická šošovka, elipticita lúča výrazne zníži účinnosť väzby. A uhol divergencie lúča je relatívne veľký aspoň v jednom smere, takže šošovka musí mať relatívne veľkú numerickú apertúru. Ďalším problémom je astigmatizmus prítomný vo výstupnom svetle diódy, najmä zosilnenej diódy, ktorý je možné kompenzovať použitím prídavnej valcovej šošovky. Ak výstupný výkon dosiahne niekoľko stoviek miliwattov, na čerpanie erbiom dopovaných vláknových zosilňovačov možno použiť laserové diódy navádzané zosilneným vláknom.

Obrázok 2: Schéma jednoduchej laserovej diódy s okrajovým vyžarovaním s nízkym výkonom. Sférická šošovka sa používa na zobrazenie svetla vyžarovaného z povrchu laserovej diódy na jadro vlákna. Elipticita lúča a astigmatizmus znižujú účinnosť spojenia.

Veľkoplošné laserové diódy sú priestorovo multimódové v smere žiarenia. Ak kruhový lúč iba vytvarujete cez valcovú šošovku (napríklad vláknovú šošovku, ako je znázornené na obrázku 3) a potom vstúpite do multimódového vlákna, väčšina jasu sa stratí, pretože vysokokvalitný lúč v smere rýchlej osi Kvalita sa nedá použiť. Napríklad svetlo s výkonom 1W môže vstúpiť do multimódového vlákna s priemerom jadra 50 mikrónov a numerickou apertúrou 0,12. Toto svetlo je dostatočné na pumpovanie nízkovýkonného hromadného lasera, ako je mikročipový laser. Dokonca je možné vyžarovať aj 10W svetla.

Obrázok 3: Schéma jednoduchej opticky viazanej veľkoplošnej laserovej diódy. Šošovky z optických vlákien sa používajú na kolimáciu svetla v smere rýchlej osi.

Vylepšenou širokopásmovou laserovou technológiou by bolo tvarovanie lúča tak, aby mal symetrickú kvalitu lúča (nielen polomer lúča) pred jeho vypálením. To má za následok aj vyšší jas.

V diódových poliach je problém asymetrickej kvality lúča ešte vážnejší. Výstup každého vysielača môže byť pripojený do iného vlákna vo zväzku vlákien. Optické vlákna sú usporiadané lineárne na jednej strane diódového poľa, ale výstupné konce sú usporiadané v kruhovom poli. Na dosiahnutie symetrickej kvality lúča pred spustením lúča do multimódového vlákna možno použiť tvarovač lúča. To umožňuje pripojiť 30 W svetla do vlákna s priemerom 200 mikrónov s numerickou apertúrou 0,22. Toto zariadenie je možné použiť na pumpovanie laserov Nd:YAG alebo Nd:YVO4 na získanie výstupného výkonu približne 15W.

V diódových zväzkoch sa bežne používajú aj vlákna s väčším priemerom jadra. Do optického vlákna s priemerom jadra 600 mikrónov a numerickou apertúrou 0,22 je možné pripojiť niekoľko stoviek wattov (alebo dokonca niekoľko kilowattov) svetla.

Nevýhody spájania vlákien.

Niektoré nevýhody polovodičových laserov s vláknovou väzbou v porovnaní s lasermi žiarenia voľného priestoru zahŕňajú:

vyššie náklady. Náklady možno znížiť, ak sa zjednoduší manipulácia s lúčom a procesy prenosu.

Výstupný výkon je o niečo menší a hlavne jas. Strata jasu je niekedy veľmi veľká (väčšia ako rádovo) a niekedy malá, v závislosti od použitej technológie spájania vlákien. V niektorých prípadoch to nevadí, ale v iných prípadoch sa to stáva problémom, ako napríklad pri konštrukcii diódovo čerpaných hromadných laserov alebo vysokovýkonných vláknových laserov.

Vo väčšine prípadov (najmä multimódové vlákno) si vlákno zachováva polarizáciu. Potom je výstupné svetlo vlákna čiastočne polarizované a ak sa vlákno posunie alebo sa zmení teplota, zmení sa aj stav polarizácie. Ak je absorpcia čerpadla závislá od polarizácie, môže to spôsobiť značné problémy so stabilitou v pevnolátkových laseroch čerpaných diódami.