главная   оптика   волоконная оптика   спектроскопия   лазеры   лазерные системы
 
     
 
Оптика
Волоконная оптика
Спектроскопия
Лазеры /
  История создания лазеров
  Принципы работы лазера
  Параметры лазерного излучения
  Различные типы лазеров
  Твердотельные лазеры
  Волоконные лазеры
  Сравнение волоконных лазеров и твердотельных лазеров на объемных кристаллах
  Рамановские лазеры
  Полупроводниковые лазеры
  Газовые лазеры
  Лазеры на красителях
  Необычные лазеры
  Парусные лазеры
  Лазерная безопасность
  Юмор
  Ведущие фирмы-производители лазеров. Поставщики лазерного оборудования
  Лазерика
Лазерные системы
Телекоммуникации и связь
 
Выставки и конференции
Новости науки и лазерной техники
 
О проекте
Ссылки

 

Полупроводниковые лазеры с волоконным выходом

Материал подготовила Мария Лаврова

Диодные лазеры с волоконным выходом - устройства, в которых генерируемый лазерным диодом свет вводится в оптоволокно.
 

Немецкое название: fasergekoppelte Diodenlaser. Английское название: fiber-coupled laser

Во многих случаях удобно использовать лазерный диод  с присоединенным оптическим волокном, чтобы доставлять свет в заданное место. Лазерные диоды с волоконным выводом имеют ряд преимуществ :

  • свет, выходящий из волокна, имеет круговой и гладкий (гомогенизированный) профиль интенсивности и симметричную форму  луча, что во многих случаях очень удобно. Например, для создания кругового пятна в твердотельных лазерах с торцевой накачкой требуется менее сложная оптика;
  • становится возможным устанавливать удаленно лазерные диоды вместе с их охлаждающими устройствами. Например, при использовании диодов накачки их излучение доставляется в излучатель твердотельного лазера по волокну. Конструкция получается более компактной; 
  • неисправные волоконно-оптические диодные лазеры могут быть легко заменены без последующей юстировки устройства, в котором используется;
  • такие диодные устройства могут быть легко объединены с другими волоконно-оптическими компонентами.
     

Типы диодных лазеров с волоконным выводом


Многие диодные лазеры продаются с надежной связью между диодом и волокном (например, для установок лазерной сварки). Используемые волокна и типы резонаторов сильно различаются для разных диодных лазеров.
Самым оптимальным вариантом является VCSEL (вертикальный резонатор), который обычно излучает пучок с высоким качеством, умеренным рассеянием, отсутствием астигматизма и круговым профилем интенсивности. Простой сферической линзы достаточно для направления излучающего пятна в сердцевину одномодового волокна. Эффективность введения излучения в оптоволокно может составлять порядка 70-80%. Также можно установит волокно непосредственно рядом с излучающей поверхностью VCSEL.

Некоторые лазерные диоды работают в одномодовом режиме, что позволяет эффективно вводить их излучение в одномодовое волокно. Однако эффективность соединения диод - оптическое волокно может быть значительно ухудшена эллиптичностью пучка, если используется простая сферическая линза. Кроме того, расходимость пучка относительно высока, по меньшей мере, в одном направлении, что требует наличия линзы с относительно высокой числовой апертурой. Другая проблема заключается в астигматизме диодного выхода, особенно в регулируемых усилителях; это может быть компенсировано дополнительной слабой цилиндрической линзой.
При выходной мощности до нескольких сотен милливатт волоконно-оптические LD могут использоваться, например, для накачки волоконных лазеров, легированных эрбием.
 

Широкополосные лазерные диоды являются пространственно многомодовыми в направлении вдоль излучающей поверхности. Если круговой пучок был просто сформирован с помощью цилиндрической линзы (например, волоконной линзой, см. Рисунок 3), а затем заведен в многомодовое волокно, то большая часть яркости будет потеряна, потому что высокое качество пучка в направлении быстрой оси (fast axis – ось, по которой пучок света сильнее расходится) не может сохраняться. Мощность 1 Вт может быть заведена в многомодовое волокно с диаметром сердечника 50 мкм и числовой апертурой (NA) 0,12.


Этого достаточно для накачки маломощного лазера, например, микрочипового лазера. Возможно даже завести мощность в 10 Вт.
Для диодных матриц проблема достижения симметричного качества луча еще более сложная. Здесь выходы отдельных излучателей могут быть объединены в отдельные пучки волокон. Волокна расположены в виде линейного массива на излучающей части диода, а потом собираются в круговой массив на выходе. В качестве альтернативы, перед запуском в одномодовое волокно может использоваться механизм формирования луча для симметризации качества луча.

Это можно осуществить, например, с помощью двухзеркальных формирователей луча или с некоторыми микрооптическими элементами. Это возможно для соединения 30 Вт с волокном диаметром 200 мкм (или даже 100 мкм) и числовой апертурой (NA) 0,22. Такое устройство может быть использовано для накачки лазера Nd: YAG или Nd: YVO4 с выходной мощностью около 15 Вт.
Для диодных матриц используются волокна с еще более крупными диаметрами сердечника. Тогда возможно ввести излучение в сотни ватт (или даже несколько киловатт) оптической мощности в волокно с диаметром 600 мкм и NA = 0,22.
 

Недостатки диодных лазеров с волоконным выводом


Некоторыми потенциальными недостатками таких лазеров по сравнению с лазерами, излучающими в свободное пространство, являются:

  • высокая стоимость. Однако это может быть компенсировано экономией за счет более простой обработки и доставки луча;
  • выходная мощность немного снижена и, что более важно, яркость. Потеря яркости может быть существенной (более чем на порядок) или, скорее, малой, в зависимости от техники связи лазерного диода и волокна. В некоторых случаях это приносит значительные проблемы, например, для проектирования лазера с диодной накачкой или высокомощного волоконного лазера;
  • в большинстве случаев (особенно с многомодовыми волокнами) волокно не поддерживает поляризацию. Тогда пучок на выходе волокна будет частично поляризован, и состояние поляризации может измениться при перемещении волокна или изменении температуры. Это может вызвать существенные проблемы в стабильности работы твердотельных лазеров с диодной накачкой, когда поглощение накачки является поляризационно-зависимым (как, например, Nd: YVO4).

Качество луча на выходе


Качество луча на выходе волокна часто не указывается; во многих случаях известны только диаметр сердцевины волокна и числовая апертура (NA), и предполагается, что используется многомодовое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления. В этом случае нет никакого уравнения для точного расчета качества луча, поскольку оно зависит от распределения оптического сигнала в оптоволокне, и это распределение зависит от условий ввода излучения. Однако коэффициент M2 оптического качества луча можно приблизительно оценить, считая, что мощность равномерно распределена по модам, так что числовая апертура представляет собой разумную (возможно, слишком высокую) оценку фактической расходимости пучка. Это приводит к уравнению:
М2≈(π*а)/λ*NA , где а-радиус сердцевины волокна (т.е. половина диаметра сердцевины).
 

 
Кафедра Лазерной техники БГТУ 'Военмех'

Онлайн-конвертер

 
         
 
  разработка сайта NINSIS   190005, Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, д. 1
тел/факс: +7 (812) 316-49-09
www.laser-portal.ru