В много приложения е удобно да свържете изхода на лазерен диод към оптично влакно, за да доставяте светлина там, където е необходима.
Предимства:
Светлината, излъчвана от влакното, има кръгъл, гладък (хомогенизиран) профил на интензитет и симетрично качество на лъча, което е много удобно в много случаи. Например, необходима е по-малко сложна оптика, за да се създаде кръгло изпомпвано петно за твърдотелен лазер с крайно изпомпване.
Лазерният диод може да бъде изваден заедно с охлаждането му, например от твърдотелна лазерна глава, която може да бъде по-компактна и да остави повече място за други части тук.
Дефектен диоден лазер, свързан с влакна, може лесно да бъде заменен, без да се променя подравняването на устройството с помощта на светлината.
Компонентите, свързани с влакна, могат лесно да се комбинират с други компоненти с влакна.
Видове оптично-влакнести диодни лазери
Много диодни лазери се продават във форма за свързване на влакна, със здрава оптика за свързване на влакна, вградена в лазерния пакет (напр. постоянна приставка за влакна за лазерно заваряване). Влакната и технологиите, използвани за различните диодни лазери, се различават значително:
Най-простият случай е VCSEL (повърхностно излъчващ лазер с вертикална кухина), който обикновено излъчва лъч с високо качество на лъча, умерена дивергенция на лъча, без астигматизъм и кръгово разпределение на интензитета. Една проста сферична леща е достатъчна за изобразяване на точката на излъчване в сърцевината на едномодово влакно. Може да се постигне ефективност на свързване от порядъка на 70-80%. Възможно е също да се свърже (челно) влакното директно към излъчващата повърхност на VCSEL.
Малките лазерни диоди с ръбово излъчване също излъчват в единичен пространствен режим и по този начин по принцип също позволяват ефективно свързване към едномодови влакна. Въпреки това, ако се използва проста сферична леща, ефективността на свързване е значително намалена от елиптичността на лъча. Освен това дивергенцията на лъча е сравнително голяма поне в една посока, което изисква лещи с относително висока цифрова апертура. Друг проблем е астигматизмът на диодния изход, особено за диодите с насочване на усилването; това може да се компенсира с допълнителни слаби цилиндрични лещи. С изходни мощности до няколкостотин миливата, свързаните с влакна LDs с насочване на усилването могат да се използват за изпомпване, например, на влакнести усилватели, легирани с ербий.
Схематична настройка на прост лазерен диод с ниска мощност, свързан с влакна. Сферична леща (или евентуално двойна леща) се използва за изобразяване на фасета на лазерния диод в сърцевината на влакното. Елиптичността на лъча и астигматизмът намаляват ефективността на свързване.
Лазерните диоди с широка зона са пространствено многомодови в дългата посока на емитера. Ако кръглият лъч е просто оформен с цилиндрична леща и след това пуснат в многомодово влакно, голяма част от яркостта (сиянието) ще бъде загубена, тъй като качеството на високия лъч в посоката на бързата ос не може да бъде използвано. Например, 1 W мощност може да бъде пуснат в многомодово влакно с диаметър на сърцевината от 50 μm и числова апертура (NA) от 0,12. Това е достатъчно за изпомпване на масови лазери с ниска мощност, като лазери с микрочипове. Възможни са дори стартирани мощности от 10 W.
Схематична настройка на прост широкообластен лазерен диод, свързан с влакна. Оптична леща се използва за колимиране на лъча в посоката на бързата ос.
Подобрена широкообхватна лазерна технология се основава на оформяне на лъча преди изстрелване, за да се получи симетрично качество на лъча (а не само симетричен радиус на лъча). Това позволява по-висока яркост.
За диодните шини (диодни матрици) проблемът с качеството на асиметричния лъч е още по-сериозен. Тук изходите на отделните емитери могат да бъдат свързани в отделни влакна на сноп от влакна. Влакната са подредени в линеен масив от едната страна на диодната лента, но в кръгъл масив от изходния край. Като алтернатива може да се използва някакъв вид оформител на лъча, за да се направи качеството на лъча симетрично, преди да се пусне в едно многомодово влакно. Това може да стане например с двуогледален лъчеформатор или някаква микрооптика. Например, 30 W могат да бъдат свързани във влакно с диаметър на сърцевината от 200-μm (или дори 100-μm) и NA от 0,22. Такава настройка може да се използва например за изпомпване на лазери Nd:YAG или Nd:YVO 4 с изходна мощност от около 15 W.
За диодния стек се използват влакна с по-голям диаметър на сърцевината. Например, стотици ватове (или дори киловати) оптична мощност могат да бъдат свързани към влакно с диаметър на сърцевината от 600 μm и NA=0.22.
Недостатъци на свързването на влакна
Някои потенциални недостатъци на оптично-свързаните диодни лазери в сравнение с лазерите, излъчващи свободно пространство, са:
По-висока цена. Това обаче може да се компенсира от спестяванията, получени от по-простото управление и доставка на лъча.
Изходната мощност е леко намалена и по-важното е излъчването. Загубата на излъчване може да бъде голяма (над порядък) или съвсем малка, в зависимост от техниката на свързване на влакна. В някои случаи това може да не е проблем, но в други въвежда значителни предизвикателства, като например за проектиране на масов лазер с диодна помпа или лазер с висока мощност на влакна.
В повечето случаи (особено многомодовите влакна) влакното не поддържа поляризация. Изходът на влакното обикновено ще бъде частично поляризиран и състоянието на поляризация ще се промени, когато влакното се премести или когато се промени температурата. Това може да доведе до сериозни проблеми със стабилността на твърдотелни лазери с диодна помпа, когато абсорбцията на помпата зависи от поляризацията (като в Nd:YVO 4 ).
Влакнесто-свързаните лазерни диодни продукти също може да не са налични за всяка оптична дължина на вълната.
Качество на изходния лъч от влакна
Качеството на лъча на изхода на влакното обикновено не е специфицирано; в много случаи са известни само диаметърът на сърцевината и числовата апертура (NA) и се предполага многомодово влакно със стъпков индекс. В този случай няма формула за точно изчисляване на качеството на лъча, тъй като то зависи от разпределението на оптичната мощност върху режимите на влакното, което само по себе си зависи от условията на изстрелване. Факторът на качеството на лъча M2 обаче може да бъде грубо оценен, като се приеме, че мощността е добре разпределена по режимите и следователно числената апертура представлява разумна оценка на действителната дивергенция на лъча (която може да е малко по-висока). Това води до уравнението M2≈(π /λ)ΝΑ, където a е радиусът на сърцевината на влакното (т.е. половината от диаметъра на сърцевината). Качеството на лъча също може да бъде значително подобрено, ако светлината се излъчва предимно в режими на направлявани влакна от нисък порядък, но може да се влоши от силното огъване на влакната.
Нашият адрес
B-1507 Ruiding Mansion, No.200 Zhenhua Rd, Xihu District
Телефонен номер
0086 181 5840 0345
Имейл
info@brandnew-china.com
