V mnoha aplikacích je vhodné propojit výstup laserové diody s optickým vláknem pro dodání světla tam, kde je potřeba.
výhody:
Světlo vyzařované z vlákna má kulatý, hladký (homogenizovaný) profil intenzity a symetrickou kvalitu paprsku, což je v mnoha případech velmi výhodné. Například pro vytvoření kulatého čerpacího bodu pro pevnolátkový laser s koncovým čerpadlem je zapotřebí méně složitá optika.
Laserovou diodu lze spolu s jejím chlazením vyjmout například z hlavy pevnolátkového laseru, která může být kompaktnější a ponechat zde více místa pro další díly.
Vadný vláknový diodový laser lze snadno vyměnit, aniž by se změnilo vyrovnání zařízení pomocí světla.
Vláknové komponenty lze snadno kombinovat s jinými vláknovými komponenty.
Typy vláknově vázaných diodových laserů
Mnoho diodových laserů se prodává ve formě s vlákny, s robustní optikou s vlákny vestavěnou do laserového balíčku (např. trvalé připojení vlákna pro laserové svařování). Vlákna a technologie používané pro různé diodové lasery se velmi liší:
Nejjednodušším případem je VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), který typicky vysílá paprsek s vysokou kvalitou paprsku, mírnou divergenci paprsku, bez astigmatismu a kruhovým rozložením intenzity. Pro zobrazení emisního bodu do jádra jednovidového vlákna stačí jednoduchá sférická čočka. Lze dosáhnout účinnosti vazby v řádu 70-80 %. Je také možné připojit (na tupo) vlákno přímo k vyzařovací ploše VCSEL.
Malé okrajově emitující laserové diody také vyzařují v jediném prostorovém módu a tak v principu také umožňují účinnou vazbu na jednovidová vlákna. Pokud je však použita jednoduchá sférická čočka, účinnost vazby je výrazně snížena elipticitou paprsku. Kromě toho je divergence paprsku relativně vysoká v alespoň jednom směru, což vyžaduje čočky s relativně vysokou numerickou aperturou. Dalším problémem je astigmatismus výstupu diody, zejména u diod řízených ziskem; to lze kompenzovat přídavnými slabými cylindrickými čočkami. S výstupním výkonem až několik stovek miliwattů lze vláknově vázané LD naváděné zesílením použít k pumpování například erbiem dopovaných vláknových zesilovačů.
Schematické uspořádání jednoduché nízkovýkonové okrajově emitující laserové diody s vláknovou vazbou. K zobrazení fasety laserové diody do jádra vlákna se používá sférická čočka (nebo případně dvojitá čočka). Elipticita paprsku a astigmatismus snižují účinnost vazby.
Širokoplošné laserové diody jsou prostorově vícevidové v dlouhém směru emitoru. Pokud je kulatý paprsek jednoduše vytvarován pomocí válcové čočky a poté spuštěn do multividového vlákna, velká část jasu (záření) se ztratí, protože nelze využít kvalitu vysokého paprsku ve směru rychlé osy. Například 1 W energie lze spustit do vícevidového vlákna s průměrem jádra 50 μm a numerickou aperturou (NA) 0,12. To je dostatečné pro čerpání velkoobjemových laserů s nízkým výkonem, jako jsou mikročipové lasery. Možné jsou i spouštěné výkony 10 W.
Schématické uspořádání jednoduché širokoplošné laserové diody s vláknovou vazbou. Ke kolimaci paprsku ve směru rychlé osy se používá vláknová čočka.
Vylepšená širokoplošná laserová technologie je založena na tvarování paprsku před vypuštěním tak, aby se dosáhlo symetrické kvality paprsku (nejen symetrického poloměru paprsku). To umožňuje vyšší jas.
U diodových tyčí (diodových polí) je problém asymetrické kvality paprsku ještě závažnější. Zde mohou být výstupy jednotlivých emitorů spojeny do samostatných vláken svazku vláken. Vlákna jsou uspořádána v lineárním poli na jedné straně diodové tyče, ale v kruhovém poli na výstupním konci. Alternativně lze použít nějaký druh tvarovače paprsku, aby byla kvalita paprsku symetrická před spuštěním do jediného multimódového vlákna. To lze provést například dvouzrcadlovým tvarovačem paprsků nebo nějakou mikrooptikou. Například 30 W lze spojit do vlákna s průměrem jádra 200-μm (nebo dokonce 100-μm) a NA 0,22. Takovou sestavu lze použít například pro čerpání laserů Nd:YAG nebo Nd:YVO 4 o výstupním výkonu cca 15W.
Pro svazek diod jsou použita vlákna s větším průměrem jádra. Například stovky wattů (nebo dokonce kilowattů) optického výkonu lze připojit do vlákna s průměrem jádra 600 μm a NA=0.22.
Nevýhody spojování vláken
Některé potenciální nevýhody vláknových diodových laserů ve srovnání s lasery emitujícími volný prostor jsou:
Vyšší náklady. To však může být kompenzováno úsporami získanými jednodušší manipulací s paprskem a jeho dodáním.
Mírně se sníží výstupní výkon, a co je důležitější, zářivost. Ztráta záření může být velká (řádově) nebo docela malá, v závislosti na technice spojování vláken. V některých případech to nemusí být problém, ale v jiných to přináší významné výzvy, jako je návrh diodově čerpaného hromadného laseru nebo vysoce výkonného vláknového laseru.
Ve většině případů (zejména multimodová vlákna) vlákno neudržuje polarizaci. Výstup vlákna bude typicky částečně polarizovaný a stav polarizace se změní, když se vlákno posune nebo když se změní teplota. To může vést k vážným problémům se stabilitou u diodově čerpaných pevnolátkových laserů, když je absorpce čerpadla závislá na polarizaci (jako například v Nd:YVO 4 ).
Produkty s laserovými diodami s vláknovou vazbou také nemusí být dostupné pro všechny optické vlnové délky.
Kvalita výstupního paprsku vlákna
Kvalita paprsku výstupu vlákna není obvykle specifikována; v mnoha případech jsou známy pouze průměr jádra a numerická apertura (NA) a předpokládá se vícevidové vlákno s krokovým indexem. V tomto případě neexistuje žádný vzorec pro přesný výpočet kvality paprsku, protože závisí na rozložení optického výkonu v režimech vlákna, které samo závisí na podmínkách spuštění. Faktor kvality paprsku M2 lze však zhruba odhadnout za předpokladu, že výkon je dobře rozdělen mezi režimy, a proto numerická apertura představuje rozumný odhad skutečné divergence paprsku (která může být o něco vyšší). To vede k rovnici M2≈(π /λ)ΝΑ, kde a je poloměr jádra vlákna (tj. polovina průměru jádra). Kvalita paprsku může být také výrazně zlepšena, pokud je světlo spuštěno převážně v režimech s řízeným vláknem nízkého řádu, ale může být degradováno silným ohybem vlákna.
Naše adresa
B-1507 Ruiding Mansion, č. 200 Zhenhua Rd, okres Xihu
Telefonní číslo
0086 181 5840 0345
info@brandnew-china.com
