Fiber coupled semiconductor laser

Kahulugan: Isang diode laser kung saan ang ilaw na nabuo ay pinagsama sa isang optical fiber.

Sa maraming mga kaso, kinakailangan na ikonekta ang output light mula sa isang diode laser sa isang optical fiber upang ang liwanag ay maipadala sa kung saan ito kinakailangan. Ang fiber-coupled semiconductor lasers ay may mga sumusunod na pakinabang:

1. Ang intensity curve ng liwanag na ibinubuga mula sa optical fiber ay karaniwang makinis at pabilog, at ang kalidad ng beam ay simetriko, na napaka-maginhawa sa aplikasyon. Halimbawa, ang hindi gaanong kumplikadong mga optika ay ginagamit upang makabuo ng mga circular pump spot para sa mga end-pumped solid-state na laser.

2. Kung ang laser diode at ang cooling device nito ay tinanggal mula sa solid-state laser head, ang laser ay nagiging napakaliit at may sapat na espasyo para ilagay ang iba pang optical parts.

3. Ang pagpapalit ng hindi kwalipikadong optically coupled semiconductor laser ay hindi nangangailangan ng pagbabago sa pagkakaayos ng device.

4. Ang optical coupling device ay madaling gamitin kasama ng iba pang fiber optic device.

Mga Uri ng Laser na Pinagsamang Fiber Semiconductor

Maraming mga natapos na diode laser ang fiber-coupled, na naglalaman ng napakalakas na fiber-coupled optics sa laser package. Ang iba't ibang mga diode laser ay gumagamit ng iba't ibang mga hibla at teknolohiya.

Ang pinakasimpleng kaso ay ang isang VCSEL (Vertical Cavity Surface Radiation Laser) ay karaniwang nagpapalabas ng beam na may napakataas na kalidad ng beam, medium beam divergence, walang astigmatism, at circular intensity distribution. Ang pag-imaging sa lugar ng radiation sa core ng isang single-mode fiber ay nangangailangan ng isang simpleng spherical lens. Ang kahusayan ng pagkabit ay maaaring umabot sa 70-80%. Ang mga optical fiber ay maaari ding direktang idugtong sa nag-iilaw na ibabaw ng VCSEL.

Ang mga maliliit na edge-emitting laser diode ay nag-radiate din ng isang solong spatial mode at sa gayon ay maaari, sa prinsipyo, mag-asawa nang mahusay sa mga single-mode fibers. Gayunpaman, kung isang simpleng spherical lens lamang ang gagamitin, ang ellipticity ng beam ay lubos na magbabawas sa kahusayan ng pagkabit. At ang anggulo ng divergence ng beam ay medyo malaki sa hindi bababa sa isang direksyon, kaya ang lens ay kailangang magkaroon ng medyo malaking numerical aperture. Ang isa pang problema ay ang astigmatism na naroroon sa output light ng diode, lalo na ang gain-guided diode, na maaaring mabayaran sa pamamagitan ng paggamit ng karagdagang cylindrical lens. Kung ang output power ay umabot sa ilang daang milliwatts, ang fiber-coupled gain-guided laser diodes ay maaaring gamitin upang mag-pump ng erbium-doped fiber amplifier.

Figure 2: Schematic ng isang simpleng low-power fiber-coupled edge-emitting laser diode. Ang spherical lens ay ginagamit upang ilarawan ang liwanag na ibinubuga mula sa ibabaw ng laser diode papunta sa fiber core. Binabawasan ng beam ellipticity at astigmatism ang kahusayan ng pagkabit.

Ang mga malalaking lugar na laser diode ay spatially multi-mode sa direksyon ng radiation. Kung huhubog mo lang ang circular beam sa pamamagitan ng cylindrical lens (halimbawa, fiber lens, tulad ng ipinapakita sa Figure 3) at pagkatapos ay ipasok ang multimode fiber, mawawala ang karamihan sa liwanag dahil ang mataas na kalidad na beam sa mabilis na direksyon ng axis Hindi magagamit ang kalidad. Halimbawa, ang ilaw na may lakas na 1W ay maaaring pumasok sa isang multimode fiber na may core diameter na 50 microns at isang numerical aperture na 0.12. Ang ilaw na ito ay sapat na upang mag-pump ng isang bulk laser na may mababang lakas, tulad ng isang microchip laser. Kahit na ang paglabas ng 10W ng ilaw ay posible.

Figure 3: Schematic ng isang simpleng optically coupled large-area laser diode. Ang mga fiber optic lens ay ginagamit upang i-collimate ang liwanag sa mabilis na direksyon ng axis.

Ang isang pinahusay na teknolohiya ng broadband laser ay ang hubugin ang beam upang magkaroon ng simetriko na kalidad ng beam (hindi lamang ang radius ng beam) bago ito iputok. Nagreresulta din ito sa mas mataas na liwanag.

Sa mga arrays ng diode, ang problema sa kalidad ng asymmetric beam ay mas seryoso. Ang output ng bawat transmitter ay maaaring isama sa ibang fiber sa fiber bundle. Ang mga optical fiber ay nakaayos nang linear sa isang gilid ng array ng diode, ngunit ang mga dulo ng output ay nakaayos sa isang pabilog na array. Maaaring gumamit ng beam shaper upang makamit ang simetriko na kalidad ng beam bago ilunsad ang beam sa isang multimode fiber. Nagbibigay-daan ito sa 30W ng liwanag na maisama sa 200 micron diameter fiber na may numerical aperture na 0.22. Maaaring gamitin ang device na ito upang mag-pump ng mga Nd:YAG o Nd:YVO4 laser upang makakuha ng output power na humigit-kumulang 15W.

Sa mga stack ng diode, ang mga hibla na may mas malalaking diameter ng core ay karaniwang ginagamit din. Ilang daang watts (o kahit ilang kilowatts) ng liwanag ang maaaring isama sa isang optical fiber na may core diameter na 600 microns at isang numerical aperture na 0.22.

Mga Disadvantages ng Fiber Coupling.

Ang ilang mga disadvantages ng fiber-coupled semiconductor lasers kumpara sa free-space radiation lasers ay kinabibilangan ng:

mas mataas na gastos. Ang mga gastos ay maaaring mabawasan kung ang paghawak ng beam at mga proseso ng paghahatid ay pinasimple.

Ang output power ay bahagyang mas maliit at mas mahalaga ang liwanag. Ang pagkawala ng liwanag kung minsan ay napakalaki (mas malaki kaysa sa isang order ng magnitude) at kung minsan ay maliit, depende sa teknolohiya ng fiber coupling na ginamit. Sa ilang mga kaso hindi ito mahalaga, ngunit sa ibang mga kaso ito ay nagiging isang problema, tulad ng sa disenyo ng diode-pumped bulk lasers o high-power fiber lasers.

Sa karamihan ng mga kaso (lalo na multimode fiber), ang hibla ay nagpapanatili ng polariseysyon. Pagkatapos ang output light ng fiber ay bahagyang polarized, at kung ang hibla ay inilipat o ang temperatura ay nagbabago, ang polarization state ay magbabago din. Kung ang pump absorption ay nakadepende sa polarization, maaari itong lumikha ng mga makabuluhang problema sa katatagan sa diode-pumped solid-state lasers.