Kiudühendusega pooljuhtlaser

Definitsioon: dioodlaser, milles tekkiv valgus on ühendatud optilise kiuga.

Paljudel juhtudel on vaja siduda dioodlaseri väljundvalgus optilise kiuga, et valgust saaks edastada sinna, kus seda vajatakse. Fiibersidestatud pooljuhtlaseritel on järgmised eelised:

1. Optilisest kiust kiirgava valguse intensiivsuskõver on üldiselt sile ja ümmargune ning kiire kvaliteet on sümmeetriline, mis on rakenduses väga mugav. Näiteks kasutatakse ümmarguste pumbapunktide genereerimiseks lõpppumbaga tahkislaserite jaoks vähem keerulist optikat.

2. Kui laserdiood ja selle jahutusseade eemaldatakse pooljuhtlaseri peast, muutub laser väga väikeseks ja seal on piisavalt ruumi muude optiliste osade paigutamiseks.

3. Kvalifitseerimata optiliselt sidestatud pooljuhtlaserite asendamine ei nõua seadme paigutuse muutmist.

4. Optilist ühendusseadet on lihtne kasutada koos teiste fiiberoptiliste seadmetega.

Fiber sidestatud pooljuhtlaserite tüübid

Paljud viimistletud dioodlaserid on fiibersidestatud, sisaldades laserpaketis väga tugevat kiudoptikat. Erinevad dioodlaserid kasutavad erinevaid kiude ja tehnoloogiaid.

Lihtsaim juhtum on see, et VCSEL (Vertical Cavity Surface Radiation Laser) kiirgab tavaliselt väga kõrge kiire kvaliteediga, keskmise tala lahknemisega, ilma astigmatismita ja ümmarguse intensiivsuse jaotusega. Kiirguspunkti pildistamiseks ühemoodilise kiu südamikusse on vaja lihtsat sfäärilist läätse. Ühenduse efektiivsus võib ulatuda 70-80%. Optilisi kiude saab ühendada ka otse VCSEL-i kiirgava pinnaga.

Väikesed serva kiirgavad laserdioodid kiirgavad ka ühte ruumirežiimi ja võivad seega põhimõtteliselt ühenduda tõhusalt ühemoodilisteks kiududeks. Kui aga kasutatakse ainult lihtsat sfäärilist läätse, vähendab kiire elliptilisus oluliselt sidestamise efektiivsust. Ja kiire divergentsi nurk on vähemalt ühes suunas suhteliselt suur, seega peab objektiivil olema suhteliselt suur numbriline ava. Teiseks probleemiks on dioodi, eriti võimendusega juhitava dioodi väljundvalguses esinev astigmatism, mida saab kompenseerida täiendava silindrilise läätse abil. Kui väljundvõimsus ulatub mitmesaja millivatini, saab erbiumiga legeeritud kiudvõimendite pumpamiseks kasutada kiudühendusega võimendusega juhitavaid laserdioode.

Joonis 2: Lihtsa väikese võimsusega kiudühendusega serva kiirgava laserdioodi skeem. Sfäärilist läätse kasutatakse laserdioodi pinnalt kiirgava valguse pildistamiseks kiudude südamikule. Kiire elliptilisus ja astigmatism vähendavad sidumise tõhusust.

Suure pindalaga laserdioodid on kiirgussuunas ruumiliselt mitmerežiimilised. Kui kujundate ümmarguse kiire lihtsalt läbi silindrilise läätse (näiteks fiiberläätse, nagu on näidatud joonisel 3) ja seejärel sisestate mitmemoodilise kiu, kaob suurem osa heledusest, kuna kvaliteetne kiir kiire telje suunas Kvaliteeti ei saa kasutada. Näiteks 1W võimsusega valgus võib siseneda mitmemoodilisse kiudu, mille südamiku läbimõõt on 50 mikronit ja numbriline ava 0,12. Sellest valgusest piisab väikese võimsusega masslaseri, näiteks mikrokiiplaseri pumpamiseks. Võimalik on isegi 10 W valguse kiirgamine.

Joonis 3: Lihtsa optiliselt sidestatud suure pindalaga laserdioodi skeem. Kiudoptilisi läätsi kasutatakse valguse kollimeerimiseks kiire telje suunas.

Täiustatud lairiba lasertehnoloogia oleks kujundada kiir enne selle käivitamist sümmeetrilise kiire kvaliteediga (mitte ainult kiire raadiusega). Selle tulemuseks on ka suurem heledus.

Dioodimassiivide puhul on asümmeetrilise kiire kvaliteedi probleem veelgi tõsisem. Iga saatja väljund võib olla ühendatud kiukimbu erinevasse kiudu. Optilised kiud on paigutatud lineaarselt dioodimassiivi ühele küljele, kuid väljundotsad on paigutatud ringikujuliseks massiiviks. Tala kujundajat saab kasutada sümmeetrilise kiire kvaliteedi saavutamiseks enne tala käivitamist mitmemoodilisse kiudu. See võimaldab 30 W valgust ühendada 200 mikroni läbimõõduga kiudu, mille numbriline ava on 0,22. Seda seadet saab kasutada Nd:YAG või Nd:YVO4 laserite pumpamiseks, et saada ligikaudu 15 W väljundvõimsus.

Dioodivirnades kasutatakse tavaliselt ka suurema südamiku läbimõõduga kiude. Mitusada vatti (või isegi mitu kilovatti) valgust saab ühendada optilise kiuga, mille südamiku läbimõõt on 600 mikronit ja numbriline ava 0,22.

Kiudühenduse puudused.

Kiudühendusega pooljuhtlaserite mõned puudused võrreldes vaba ruumi kiirguslaseritega on järgmised:

suurem kulu. Kulusid saab vähendada, kui tala käsitsemise ja edastamise protsesse lihtsustada.

Väljundvõimsus on veidi väiksem ja veelgi olulisem heledus. Heleduse kadu on mõnikord väga suur (suurem kui suurusjärk) ja mõnikord väike, olenevalt kasutatavast kiudude ühendamise tehnoloogiast. Mõnel juhul pole see oluline, kuid mõnel juhul muutub see probleemiks, näiteks dioodpumbaga hulgilaserite või suure võimsusega fiiberoplaserite projekteerimisel.

Enamikul juhtudel (eriti mitmemoodilise kiu puhul) säilitab kiud polarisatsiooni. Siis on kiu väljundvalgus osaliselt polariseeritud ja kui kiudu liigutada või temperatuur muutub, siis muutub ka polarisatsiooni olek. Kui pumba neeldumine sõltub polarisatsioonist, võib see dioodiga pumbatavate tahkislaserite puhul tekitada olulisi stabiilsusprobleeme.