Szálas csatolású félvezető lézer

Definíció: Dióda lézer, amelyben a keletkező fényt optikai szálba kapcsolják.

Sok esetben szükséges a dióda lézer kimenő fényét optikai szálba kapcsolni, hogy a fényt oda lehessen továbbítani, ahol szükséges. A szálcsatolt félvezető lézerek a következő előnyökkel rendelkeznek:

1. Az optikai szálból kibocsátott fény intenzitásgörbéje általában sima és kör alakú, a sugár minősége pedig szimmetrikus, ami nagyon kényelmes az alkalmazásban. Például kevésbé bonyolult optikát használnak körkörös szivattyúfoltok létrehozására a végszivattyús szilárdtestlézerekhez.

2. Ha a lézerdiódát és annak hűtőeszközét eltávolítják a szilárdtest lézerfejről, a lézer nagyon kicsi lesz, és elegendő hely marad más optikai alkatrészek elhelyezésére.

3. A minősítetlen optikailag csatolt félvezető lézerek cseréje nem igényli az eszköz elrendezésének megváltoztatását.

4. Az optikai csatolóeszköz könnyen használható más száloptikai eszközökkel kombinálva.

Szálcsatolású félvezető lézertípusok

Sok kész dióda lézer szálcsatolású, és nagyon robusztus szálcsatolású optikát tartalmaz a lézercsomagban. A különböző diódalézerek különböző szálakat és technológiát használnak.

A legegyszerűbb eset az, hogy a VCSEL (Vertical Cavity Surface Radiation Laser) jellemzően nagyon jó sugárminőségű, közepes sugárdivergencia, asztigmatizmusmentes és körkörös intenzitáseloszlású sugarat sugároz. A sugárzási folt egymódusú szál magjába történő leképezéséhez egyszerű gömblencsére van szükség. A kapcsolási hatásfok elérheti a 70-80%-ot. Az optikai szálak közvetlenül is csatlakoztathatók a VCSEL sugárzó felületéhez.

A kis élkibocsátó lézerdiódák is egyetlen térmódust sugároznak, és így elvileg hatékonyan egymódusú szálakká kapcsolódhatnak. Ha azonban csak egy egyszerű gömblencsét használunk, a sugár ellipticitása nagymértékben csökkenti a csatolás hatékonyságát. A sugár divergencia szöge pedig legalább egy irányban viszonylag nagy, ezért az objektívnek viszonylag nagy numerikus rekesznyílással kell rendelkeznie. További probléma a dióda, különösen az erősítésvezérelt dióda kimenő fényében jelenlévő asztigmatizmus, amely egy további hengeres lencse alkalmazásával kompenzálható. Ha a kimeneti teljesítmény eléri a több száz milliwattot, szálcsatolt erősítésvezérelt lézerdiódák használhatók az erbiummal adalékolt szálerősítők pumpálására.

2. ábra: Egyszerű, kis teljesítményű szálcsatolt élkibocsátó lézerdióda vázlata. A gömblencsével a lézerdióda felületéről kibocsátott fényt a szálmagra leképezzük. A nyaláb ellipticitása és az asztigmatizmus csökkenti a csatolás hatékonyságát.

A nagy felületű lézerdiódák térbelileg többmódusúak a sugárzás irányában. Ha csak egy hengeres lencsén keresztül formálja meg a kör alakú sugárnyalábot (például szálas lencsén, a 3. ábrán látható módon), majd belép a többmódusú szálba, a fényerő nagy része elveszik, mivel a kiváló minőségű sugár a gyors tengely irányában A minőség nem használható. Például egy 50 mikron magátmérőjű és 0,12 numerikus apertúrájú többmódusú szálba 1 W teljesítményű fény juthat be. Ez a fény elegendő egy kis teljesítményű tömeglézer, például mikrochip lézer pumpálásához. Még 10 W fény kibocsátása is lehetséges.

3. ábra: Egyszerű optikailag csatolt nagy felületű lézerdióda vázlata. A száloptikai lencséket a fény gyors tengelyirányában történő kollimálására használják.

Egy továbbfejlesztett szélessávú lézertechnológia az lenne, ha a sugár szimmetrikus minőségű legyen (nem csak a sugár sugarát), mielőtt kigyújtaná. Ez nagyobb fényerőt is eredményez.

A diódatömböknél az aszimmetrikus sugárminőség problémája még komolyabb. Az egyes adók kimenete a szálkötegben egy másik szálhoz kapcsolható. Az optikai szálak lineárisan vannak elrendezve a diódasor egyik oldalán, de a kimeneti végek kör alakú tömbben vannak elrendezve. Nyalábformázóval szimmetrikus sugárminőség érhető el, mielőtt a gerendát multimódusú szálba indítanánk. Ez lehetővé teszi, hogy 30 W fényt kapcsoljunk egy 200 mikron átmérőjű, 0,22-es numerikus apertúrájú szálba. Ez az eszköz használható Nd:YAG vagy Nd:YVO4 lézerek pumpálására, körülbelül 15 W kimeneti teljesítmény elérése érdekében.

A diódakötegekben általában nagyobb magátmérőjű szálakat is használnak. Több száz watt (vagy akár több kilowatt) fény is csatlakoztatható egy 600 mikron magátmérőjű és 0,22 numerikus apertúrájú optikai szálhoz.

A Fiber Coupling hátrányai.

A szálcsatolt félvezető lézerek néhány hátránya a szabad teret sugárzó lézerekhez képest:

magasabb költség. A költségek csökkenthetők, ha a nyalábkezelési és átviteli folyamatokat leegyszerűsítjük.

A kimeneti teljesítmény valamivel kisebb, és ami még fontosabb a fényerő. A fényességveszteség néha nagyon nagy (nagyságrendinél nagyobb), néha kicsi, az alkalmazott szálcsatolási technológiától függően. Bizonyos esetekben ez nem számít, más esetekben viszont problémát okoz, például a diódapumpás tömeglézerek vagy a nagy teljesítményű szálas lézerek tervezésénél.

A legtöbb esetben (különösen a többmódusú szál) a szál polarizációt tart fenn. Ekkor a szál kimenő fénye részben polarizálódik, és ha a szálat elmozdítjuk, vagy a hőmérséklet megváltozik, a polarizációs állapot is megváltozik. Ha a szivattyú abszorpciója polarizációfüggő, ez jelentős stabilitási problémákat okozhat a diódapumpás szilárdtestlézereknél.