In veel toepassingen is het handig om de output van een laserdiode te koppelen aan een optische vezel om het licht te leveren waar het nodig is.
Voordelen:
Het door de vezel uitgestraalde licht heeft een rond, glad (gehomogeniseerd) intensiteitsprofiel en een symmetrische bundelkwaliteit, wat in veel gevallen erg handig is. Er zijn bijvoorbeeld minder complexe optica nodig om een ronde pompvlek te produceren voor een eindgepompte vastestoflaser.
De laserdiode kan samen met de koeling worden verwijderd, bijvoorbeeld uit een solid-state laserkop, die compacter kan zijn en hier meer ruimte laat voor andere onderdelen.
Een defecte vezelgekoppelde diodelaser kan eenvoudig worden vervangen zonder de uitlijning van het apparaat met behulp van het licht te veranderen.
Vezelgekoppelde componenten kunnen eenvoudig worden gecombineerd met andere vezelcomponenten.
Soorten vezelgekoppelde diodelasers
Veel diodelasers worden verkocht in vezelgekoppelde vorm, waarbij robuuste vezelkoppelingsoptiek in het laserpakket is ingebouwd (bijvoorbeeld een permanent laserlasvezelopzetstuk). De vezels en technologieën die voor verschillende diodelasers worden gebruikt, variëren sterk:
Het eenvoudigste geval is de VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), die doorgaans een straal uitzendt met een hoge straalkwaliteit, matige straaldivergentie, geen astigmatisme en een cirkelvormige intensiteitsverdeling. Een eenvoudige sferische lens is voldoende om het emissiepunt in de kern van een single-mode vezel af te beelden. Er kunnen koppelingsefficiënties in de orde van grootte van 70-80% worden bereikt. Het is ook mogelijk om de vezel rechtstreeks aan het emitterende oppervlak van de VCSEL te koppelen (stootverbinding).
Kleine randemitterende laserdiodes zenden ook uit in een enkele ruimtelijke modus en maken dus in principe ook een efficiënte koppeling met single-mode vezels mogelijk. Als echter een eenvoudige sferische lens wordt gebruikt, wordt de koppelingsefficiëntie aanzienlijk verminderd door de ellipticiteit van de bundel. Bovendien is de bundeldivergentie relatief hoog in ten minste één richting, waardoor lenzen met een relatief grote numerieke apertuur nodig zijn. Een ander probleem is het astigmatisme van de diode-uitgang, vooral bij versterkingsgeleide diodes; dit kan worden gecompenseerd door extra zwakke cilindrische lenzen. Met uitgangsvermogens tot een paar honderd milliwatt kunnen vezelgekoppelde versterkingsgeleide LD's worden gebruikt voor het pompen van bijvoorbeeld erbium-gedoteerde vezelversterkers.
Schematische opstelling van een eenvoudige vezelgekoppelde randemitterende laserdiode met laag vermogen. Een sferische lens (of mogelijk een dubbele lens) wordt gebruikt om het facet van de laserdiode in de vezelkern af te beelden. Bundelellipticiteit en astigmatisme verminderen de koppelingsefficiëntie.
Laserdiodes met groot oppervlak zijn ruimtelijk multimode in de lange richting van de emitter. Als de ronde straal simpelweg wordt gevormd met een cilindrische lens en vervolgens in een multimode vezel wordt gelanceerd, zal een groot deel van de helderheid (straling) verloren gaan omdat de hoge straalkwaliteit in de snelle asrichting niet kan worden benut. Er kan bijvoorbeeld 1 W aan vermogen worden gelanceerd in een multimode vezel met een kerndiameter van 50 μm en een numerieke apertuur (NA) van 0,12. Dit is voldoende om bulklasers met laag vermogen, zoals microchiplasers, te pompen. Zelfs gelanceerde vermogens van 10 W zijn mogelijk.
Schematische opstelling van een eenvoudige vezelgekoppelde laserdiode met groot oppervlak. Een vezellens wordt gebruikt om de bundel in de snelle asrichting te collimeren.
Een verbeterde lasertechnologie met groot oppervlak is gebaseerd op het vormgeven van de straal vóór de lancering om een symmetrische straalkwaliteit te verkrijgen (niet alleen een symmetrische straalstraal). Dit zorgt voor een hogere helderheid.
Voor diodestaven (diode-arrays) is het probleem van de asymmetrische bundelkwaliteit zelfs nog ernstiger. Hier kunnen de uitgangen van de individuele emitters worden gekoppeld tot afzonderlijke vezels van een vezelbundel. De vezels zijn gerangschikt in een lineaire reeks aan één zijde van de diodebalk, maar in een cirkelvormige reeks aan het uitgangsuiteinde. Als alternatief kan een soort bundelvormer worden gebruikt om de bundelkwaliteit symmetrisch te maken voordat deze in een enkele multimode-vezel wordt gelanceerd. Dit kan bijvoorbeeld worden gedaan met een bundelvormer met twee spiegels of een soort micro-optica. 30 W kan bijvoorbeeld worden gekoppeld aan een vezel met een kerndiameter van 200-μm (of zelfs 100-μm) en een NA van 0,22. Met een dergelijke opstelling kunnen bijvoorbeeld Nd:YAG- of Nd:YVO 4-lasers met een uitgangsvermogen van ongeveer 15 W worden gepompt.
Voor de diodestapeling worden vezels met een grotere kerndiameter gebruikt. Honderden watt (of zelfs kilowatt) aan optisch vermogen kunnen bijvoorbeeld worden gekoppeld aan een vezel met een kerndiameter van 600 μm en een NA=0.22.
Nadelen van vezelkoppeling
Enkele potentiële nadelen van vezelgekoppelde diodelasers in vergelijking met lasers die in de vrije ruimte emitteren, zijn:
Hogere kosten. Dit kan echter worden gecompenseerd door de besparingen die worden behaald door het eenvoudiger hanteren en afleveren van de balken.
Het uitgangsvermogen is iets verminderd, en nog belangrijker, de uitstraling. Het stralingsverlies kan groot zijn (meer dan een orde van grootte) of vrij klein, afhankelijk van de vezelkoppelingstechniek. In sommige gevallen is dit misschien geen probleem, maar in andere gevallen brengt het aanzienlijke uitdagingen met zich mee, zoals het ontwerpen van een diodegepompte bulklaser of een vezellaser met hoog vermogen.
In de meeste gevallen (vooral multimode vezels) is de vezel niet polarisatiehandhavend. De vezeluitvoer zal doorgaans gedeeltelijk gepolariseerd zijn en de polarisatietoestand zal veranderen wanneer de vezel wordt verplaatst of wanneer de temperatuur verandert. Dit kan leiden tot ernstige stabiliteitsproblemen voor door diodes gepompte vaste-stoflasers wanneer de pompabsorptie polarisatie-afhankelijk is (zoals in Nd:YVO 4 ).
Vezelgekoppelde laserdiodeproducten zijn mogelijk ook niet voor elke optische golflengte verkrijgbaar.
Vezeluitvoerstraalkwaliteit
De straalkwaliteit van de vezeluitvoer wordt meestal niet gespecificeerd; in veel gevallen zijn alleen de kerndiameter en de numerieke apertuur (NA) bekend, en wordt uitgegaan van een multimode vezel met stapindex. In dit geval bestaat er geen formule om de bundelkwaliteit exact te berekenen, aangezien deze afhangt van de optische vermogensverdeling over de vezelmodi, die zelf afhangt van de lanceringsomstandigheden. De bundelkwaliteitsfactor M2 kan echter grofweg worden geschat, ervan uitgaande dat het vermogen goed over de modi is verdeeld en dat de numerieke apertuur daarom een redelijke schatting vertegenwoordigt van de werkelijke bundeldivergentie (die iets hoger kan zijn). Dit leidt tot de vergelijking M2≈(π /λ)ΝΑ, waarbij a de straal van de vezelkern is (dwz de helft van de kerndiameter). De straalkwaliteit kan ook aanzienlijk worden verbeterd als het licht voornamelijk wordt gelanceerd in geleide vezelmodi van lage orde, maar kan worden verslechterd door sterke buiging van de vezel.
Ons adres
B-1507 Ruiding Mansion, Zhenhua Rd nr. 200, Xihu-district
Telefoonnummer
0086 181 5840 0345
info@brandnew-china.com
