لیزر نیمه هادی جفت شده فیبر

تعریف: لیزر دیودی که در آن نور تولید شده به فیبر نوری متصل می شود.

در بسیاری از موارد، لازم است نور خروجی از لیزر دایود به فیبر نوری متصل شود تا نور بتواند به محل مورد نیاز منتقل شود. لیزرهای نیمه هادی فیبر کوپل شده دارای مزایای زیر هستند:

1. منحنی شدت نور ساطع شده از فیبر نوری به طور کلی صاف و دایره ای است و کیفیت پرتو متقارن است که در کاربرد بسیار راحت است. به عنوان مثال، اپتیک های پیچیده کمتری برای تولید نقاط پمپ دایره ای برای لیزرهای حالت جامد با پمپ انتهایی استفاده می شود.

2. اگر دیود لیزر و دستگاه خنک کننده آن از هد لیزر حالت جامد خارج شود، لیزر بسیار کوچک می شود و فضای کافی برای قرار دادن سایر قطعات نوری وجود دارد.

3. جایگزینی لیزرهای نیمه هادی کوپل شده نوری فاقد صلاحیت نیازی به تغییر آرایش دستگاه ندارد.

4. استفاده از دستگاه کوپلینگ نوری در ترکیب با سایر دستگاه های فیبر نوری آسان است.

انواع لیزر نیمه هادی فیبر کوپل شده

بسیاری از لیزرهای دیود تمام شده فیبر کوپل شده هستند و حاوی فیبرهای نوری بسیار قوی در بسته لیزری هستند. لیزرهای دایود مختلف از فیبرها و فناوری های متفاوتی استفاده می کنند.

ساده ترین حالت این است که یک VCSEL (لیزر تشعشعی سطح حفره عمودی) معمولاً پرتویی با کیفیت پرتو بسیار بالا، واگرایی پرتو متوسط، بدون آستیگماتیسم و ​​توزیع شدت دایره ای ساطع می کند. تصویربرداری از نقطه تابش در هسته یک فیبر تک حالته به یک لنز کروی ساده نیاز دارد. راندمان کوپلینگ می تواند به 70-80٪ برسد. فیبرهای نوری همچنین می توانند مستقیماً به سطح تابشی VCSEL متصل شوند.

دیودهای لیزری ساطع کننده لبه کوچک نیز یک حالت فضایی واحد را تابش می کنند و بنابراین در اصل می توانند به طور موثر به فیبرهای تک حالت متصل شوند. با این حال، اگر فقط از یک عدسی کروی ساده استفاده شود، بیضوی بودن پرتو راندمان کوپلینگ را تا حد زیادی کاهش می دهد. و زاویه واگرایی پرتو حداقل در یک جهت نسبتاً بزرگ است، بنابراین لنز باید دیافراگم عددی نسبتاً بزرگی داشته باشد. مشکل دیگر آستیگماتیسم موجود در نور خروجی دیود به خصوص دیود هدایت شونده با بهره است که با استفاده از یک عدسی استوانه ای اضافی می توان آن را جبران کرد. اگر توان خروجی به چند صد میلی وات برسد، می توان از دیودهای لیزری هدایت شونده با فیبر جفت شده برای پمپ کردن تقویت کننده های فیبر دوپ شده با اربیوم استفاده کرد.

شکل 2: شماتیک یک دیود لیزری لبه ساطع کننده لبه جفت شده با فیبر کم توان. لنز کروی برای تصویربرداری از نور ساطع شده از سطح دیود لیزر بر روی هسته فیبر استفاده می شود. بیضی بودن پرتو و آستیگماتیسم بازده جفت را کاهش می دهد.

دیودهای لیزری با مساحت بزرگ از نظر فضایی چند حالته در جهت تابش هستند. اگر فقط پرتو دایره ای را از طریق یک عدسی استوانه ای شکل دهید (به عنوان مثال، یک عدسی فیبر، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است) و سپس وارد فیبر چند حالته شوید، بیشتر روشنایی از بین می رود زیرا پرتو با کیفیت بالا در جهت محور سریع است. کیفیت قابل استفاده نیست. به عنوان مثال، نور با توان 1W می تواند وارد فیبر چند حالته با قطر هسته 50 میکرون و دیافراگم عددی 0.12 شود. این نور برای پمپاژ لیزر فله ای کم مصرف مانند لیزر میکروچیپ کافی است. حتی انتشار 10 وات نور نیز امکان پذیر است.

شکل 3: شماتیک یک دیود لیزری با مساحت بزرگ جفت شده نوری ساده. از لنزهای فیبر نوری برای تطبیق نور در جهت محور سریع استفاده می شود.

یک فناوری لیزر پهن باند بهبودیافته این است که قبل از شلیک پرتو، کیفیت پرتو متقارن (نه فقط شعاع پرتو) را شکل دهد. این همچنین باعث روشنایی بالاتر می شود.

در آرایه های دیود، مشکل کیفیت پرتو نامتقارن حتی جدی تر است. خروجی هر فرستنده ممکن است به فیبر متفاوتی در بسته فیبر متصل شود. فیبرهای نوری به صورت خطی در یک طرف آرایه دیود قرار گرفته اند، اما انتهای خروجی در یک آرایه دایره ای مرتب شده اند. برای دستیابی به کیفیت متقارن پرتو قبل از پرتاب تیر به فیبر چند حالته می توان از شکل دهنده تیر استفاده کرد. این اجازه می دهد تا 30 وات نور به فیبر با قطر 200 میکرون با دیافراگم عددی 0.22 جفت شود. از این دستگاه می توان برای پمپاژ لیزرهای Nd:YAG یا Nd:YVO4 برای بدست آوردن توان خروجی تقریباً 15 وات استفاده کرد.

در پشته های دیود معمولاً از الیاف با قطر هسته بزرگتر نیز استفاده می شود. چندین صد وات (یا حتی چند کیلووات) نور را می توان در فیبر نوری با قطر هسته 600 میکرون و دیافراگم عددی 0.22 جفت کرد.

معایب کوپلینگ فیبر

برخی از معایب لیزرهای نیمه هادی کوپل شده با فیبر در مقایسه با لیزرهای تابشی فضای آزاد عبارتند از:

هزینه بالاتر در صورتی که فرآیندهای انتقال و انتقال پرتو ساده شوند، هزینه ها را می توان کاهش داد.

قدرت خروجی کمی کوچکتر است و روشنایی مهمتر است. از دست دادن روشنایی گاهی بسیار زیاد (بیشتر از یک مرتبه بزرگی) و گاهی کوچک است، بسته به فناوری جفت فیبر مورد استفاده. در برخی موارد این مهم نیست، اما در موارد دیگر مشکل ساز می شود، مانند طراحی لیزرهای حجیم با پمپ دیود یا لیزرهای فیبر پرقدرت.

در بیشتر موارد (به ویژه فیبر چند حالته)، فیبر قطبش را حفظ می کند. سپس نور خروجی فیبر تا حدی پلاریزه می شود و در صورت جابجایی فیبر یا تغییر دما، حالت پلاریزاسیون نیز تغییر می کند. اگر جذب پمپ وابسته به پلاریزاسیون باشد، این می تواند مشکلات پایداری قابل توجهی در لیزرهای حالت جامد پمپ شده با دیود ایجاد کند.