Vezelgekoppelde halfgeleiderlaser

Definitie: Een diodelaser waarbij het gegenereerde licht wordt gekoppeld in een optische vezel.

In veel gevallen is het nodig om het uitgangslicht van een diodelaser in een optische vezel te koppelen, zodat het licht kan worden doorgelaten naar de plek waar het nodig is. Vezelgekoppelde halfgeleiderlasers hebben de volgende voordelen:

1. De intensiteitscurve van het door de optische vezel uitgezonden licht is over het algemeen glad en cirkelvormig en de straalkwaliteit is symmetrisch, wat erg handig is in de toepassing. Er worden bijvoorbeeld minder complexe optica gebruikt om cirkelvormige pompvlekken te genereren voor eindgepompte vastestoflasers.

2. Als de laserdiode en het koelapparaat ervan uit de vastestoflaserkop worden verwijderd, wordt de laser erg klein en is er voldoende ruimte om andere optische onderdelen te plaatsen.

3. Het vervangen van ongekwalificeerde optisch gekoppelde halfgeleiderlasers vereist geen wijziging van de opstelling van het apparaat.

4. Het optische koppelapparaat is eenvoudig te gebruiken in combinatie met andere glasvezelapparaten.

Vezelgekoppelde halfgeleiderlasertypen

Veel afgewerkte diodelasers zijn vezelgekoppeld en bevatten zeer robuuste vezelgekoppelde optica in het laserpakket. Verschillende diodelasers gebruiken verschillende vezels en technologieën.

Het eenvoudigste geval is dat een VCSEL (Vertical Cavity Surface Radiation Laser) doorgaans een straal uitstraalt met een zeer hoge straalkwaliteit, gemiddelde straaldivergentie, geen astigmatisme en een cirkelvormige intensiteitsverdeling. Voor het in beeld brengen van de stralingsvlek in de kern van een single-mode vezel is een eenvoudige sferische lens nodig. De koppelingsefficiëntie kan 70-80% bereiken. Optische vezels kunnen ook rechtstreeks in het stralingsoppervlak van de VCSEL worden gekoppeld.

Kleine randemitterende laserdiodes stralen ook een enkele ruimtelijke modus uit en kunnen dus in principe efficiënt worden gekoppeld tot single-mode vezels. Als echter slechts een eenvoudige sferische lens wordt gebruikt, zal de ellipticiteit van de bundel de koppelingsefficiëntie aanzienlijk verminderen. En de divergentiehoek van de bundel is in ten minste één richting relatief groot, dus de lens moet een relatief grote numerieke opening hebben. Een ander probleem is het astigmatisme dat aanwezig is in het uitgangslicht van de diode, vooral de versterkingsgeleide diode, dat kan worden gecompenseerd door een extra cilindrische lens te gebruiken. Als het uitgangsvermogen enkele honderden milliwatt bereikt, kunnen vezelgekoppelde versterkingsgeleide laserdiodes worden gebruikt om erbium-gedoteerde vezelversterkers te pompen.

Figuur 2: Schematische weergave van een eenvoudige vezelgekoppelde randemitterende laserdiode met laag vermogen. De sferische lens wordt gebruikt om het door het oppervlak van de laserdiode uitgezonden licht op de vezelkern af te beelden. Bundelellipticiteit en astigmatisme verminderen de koppelingsefficiëntie.

Laserdiodes met een groot oppervlak zijn ruimtelijk multi-mode in de stralingsrichting. Als je de cirkelvormige straal alleen maar vormgeeft door een cilindrische lens (bijvoorbeeld een vezellens, zoals weergegeven in figuur 3) en vervolgens de multimode-vezel binnengaat, gaat het grootste deel van de helderheid verloren omdat de hoogwaardige straal in de snelle asrichting Kwaliteit kan niet worden gebruikt. Licht met een vermogen van 1W kan bijvoorbeeld een multimode vezel binnendringen met een kerndiameter van 50 micron en een numerieke apertuur van 0,12. Dit licht is voldoende om een ​​bulklaser met laag vermogen, zoals een microchiplaser, te pompen. Zelfs het uitstralen van 10W licht is mogelijk.

Figuur 3: Schematische weergave van een eenvoudige optisch gekoppelde laserdiode met groot oppervlak. Glasvezellenzen worden gebruikt om licht in de snelle asrichting te collimeren.

Een verbeterde breedbandlasertechnologie zou zijn om de straal zo te vormen dat deze een symmetrische straalkwaliteit heeft (niet alleen de straal van de straal) voordat deze wordt afgevuurd. Dit resulteert ook in een hogere helderheid.

Bij diode-arrays is het probleem van de asymmetrische bundelkwaliteit zelfs nog ernstiger. De uitgang van elke zender kan worden gekoppeld aan een andere vezel in de vezelbundel. De optische vezels zijn lineair gerangschikt aan één zijde van de diode-array, maar de uitgangsuiteinden zijn gerangschikt in een cirkelvormige array. Een beam shaper kan worden gebruikt om een ​​symmetrische bundelkwaliteit te bereiken voordat de bundel in een multimode vezel wordt gelanceerd. Hierdoor kan 30 W licht worden gekoppeld tot een vezel met een diameter van 200 micron en een numerieke apertuur van 0,22. Dit apparaat kan worden gebruikt om Nd:YAG- of Nd:YVO4-lasers te pompen om een ​​uitgangsvermogen van ongeveer 15W te verkrijgen.

In diodestapels worden ook vaak vezels met grotere kerndiameters gebruikt. Enkele honderden watts (of zelfs enkele kilowatts) licht kunnen worden gekoppeld in een optische vezel met een kerndiameter van 600 micron en een numerieke apertuur van 0,22.

Nadelen van vezelkoppeling.

Enkele nadelen van vezelgekoppelde halfgeleiderlasers in vergelijking met stralingslasers in de vrije ruimte zijn onder meer:

hogere kosten. De kosten kunnen worden verlaagd als de processen voor het verwerken en verzenden van de bundel worden vereenvoudigd.

Het uitgangsvermogen is iets kleiner en belangrijker nog: de helderheid. Het helderheidsverlies is soms erg groot (groter dan een orde van grootte) en soms klein, afhankelijk van de gebruikte vezelkoppelingstechnologie. In sommige gevallen doet dit er niet toe, maar in andere gevallen wordt het een probleem, zoals bij het ontwerp van diodegepompte bulklasers of vezellasers met hoog vermogen.

In de meeste gevallen (vooral multimode glasvezel) behoudt de vezel de polarisatie. Vervolgens is het uitgangslicht van de vezel gedeeltelijk gepolariseerd, en als de vezel wordt verplaatst of de temperatuur verandert, zal de polarisatietoestand ook veranderen. Als de pompabsorptie polarisatieafhankelijk is, kan dit aanzienlijke stabiliteitsproblemen veroorzaken bij diodegepompte vastestoflasers.