Laser a semiconduttore accoppiato a fibra

Definizione: laser a diodi in cui la luce generata è accoppiata a una fibra ottica.

In molti casi, è necessario accoppiare la luce in uscita da un laser a diodi in una fibra ottica in modo che la luce possa essere trasmessa dove è necessaria. I laser a semiconduttore accoppiati a fibra presentano i seguenti vantaggi:

1. La curva di intensità della luce emessa dalla fibra ottica è generalmente liscia e circolare e la qualità del raggio è simmetrica, il che è molto conveniente nell'applicazione. Ad esempio, ottiche meno complesse vengono utilizzate per generare punti circolari di pompa per laser a stato solido con pompaggio finale.

2. Se il diodo laser e il relativo dispositivo di raffreddamento vengono rimossi dalla testa laser a stato solido, il laser diventa molto piccolo e rimane spazio sufficiente per posizionare altre parti ottiche.

3. Replacing unqualified optically coupled semiconductor lasers does not require changing the arrangement of the device.

4. Il dispositivo di accoppiamento ottico è facile da usare in combinazione con altri dispositivi in ​​fibra ottica.

Tipi di laser a semiconduttore accoppiati a fibra

Molti laser a diodi finiti sono accoppiati a fibra e contengono un'ottica accoppiata a fibra molto robusta nel pacchetto laser. Diversi laser a diodi utilizzano fibre e tecnologie diverse.

Il caso più semplice è che un VCSEL (Vertical Cavity Surface Radiation Laser) irradia tipicamente un raggio con una qualità del raggio molto elevata, una divergenza media del raggio, nessun astigmatismo e una distribuzione circolare dell'intensità. L'imaging del punto di radiazione nel nucleo di una fibra monomodale richiede una semplice lente sferica. L'efficienza di accoppiamento può raggiungere il 70-80%. Le fibre ottiche possono anche essere accoppiate direttamente nella superficie radiante del VCSEL.

Anche i piccoli diodi laser a emissione laterale irradiano un unico modo spaziale e quindi, in linea di principio, possono accoppiarsi in modo efficiente in fibre monomodali. Tuttavia, se si utilizza solo una semplice lente sferica, l'ellitticità del fascio ridurrà notevolmente l'efficienza di accoppiamento. Inoltre, l'angolo di divergenza del raggio è relativamente ampio almeno in una direzione, quindi l'obiettivo deve avere un'apertura numerica relativamente ampia. Un altro problema è l'astigmatismo presente nella luce emessa dal diodo, in particolare nel diodo guidato dal guadagno, che può essere compensato utilizzando una lente cilindrica aggiuntiva. Se la potenza di uscita raggiunge diverse centinaia di milliwatt, è possibile utilizzare diodi laser guidati dal guadagno accoppiati a fibra per pompare amplificatori in fibra drogata con erbio.

Figura 2: Schema di un semplice diodo laser a emissione di bordi accoppiato a fibra a bassa potenza. La lente sferica viene utilizzata per visualizzare la luce emessa dalla superficie del diodo laser sul nucleo della fibra. L'ellitticità e l'astigmatismo del raggio riducono l'efficienza dell'accoppiamento.

I diodi laser ad ampia area sono spazialmente multimodali nella direzione della radiazione. Se si modella semplicemente il raggio circolare attraverso una lente cilindrica (ad esempio, una lente in fibra, come mostrato nella Figura 3) e poi si inserisce la fibra multimodale, la maggior parte della luminosità andrà persa perché il raggio di alta qualità nella direzione dell'asse veloce La qualità non può essere utilizzata. Ad esempio, la luce con una potenza di 1 W può entrare in una fibra multimodale con un diametro del nucleo di 50 micron e un'apertura numerica di 0,12. Questa luce è sufficiente per pompare un laser bulk a bassa potenza, come un laser a microchip. È possibile emettere anche 10 W di luce.

Figura 3: Schema di un semplice diodo laser ad ampia area accoppiato otticamente. Le lenti in fibra ottica vengono utilizzate per collimare la luce nella direzione dell'asse veloce.

Una tecnologia laser a banda larga migliorata consisterebbe nel modellare il raggio in modo che abbia una qualità del raggio simmetrica (non solo il raggio del raggio) prima di emetterlo. Ciò si traduce anche in una maggiore luminosità.

Negli array di diodi il problema della qualità asimmetrica del fascio è ancora più serio. L'uscita di ciascun trasmettitore può essere accoppiata a una fibra diversa nel fascio di fibre. Le fibre ottiche sono disposte linearmente su un lato della serie di diodi, ma le estremità di uscita sono disposte in una serie circolare. È possibile utilizzare un modellatore di fascio per ottenere una qualità del fascio simmetrica prima di lanciarlo in una fibra multimodale. Ciò consente di accoppiare 30 W di luce in una fibra del diametro di 200 micron con un'apertura numerica di 0,22. Questo dispositivo può essere utilizzato per pompare laser Nd:YAG o Nd:YVO4 per ottenere una potenza di uscita di circa 15W.

Negli stack di diodi vengono comunemente utilizzate anche fibre con diametri del nucleo maggiori. Diverse centinaia di watt (o anche diversi kilowatt) di luce possono essere accoppiati in una fibra ottica con un diametro del nucleo di 600 micron e un'apertura numerica di 0,22.

Svantaggi dell'accoppiamento in fibra.

Alcuni svantaggi dei laser a semiconduttore accoppiati a fibra rispetto ai laser a radiazione nello spazio libero includono:

costo più elevato. I costi possono essere ridotti se i processi di gestione e trasmissione del raggio vengono semplificati.

La potenza di uscita è leggermente inferiore e, cosa ancora più importante, la luminosità. La perdita di luminosità è talvolta molto grande (maggiore di un ordine di grandezza) e talvolta piccola, a seconda della tecnologia di accoppiamento delle fibre utilizzata. In alcuni casi questo non ha importanza, ma in altri diventa un problema, come nella progettazione di laser bulk pompati a diodi o laser a fibra ad alta potenza.

Nella maggior parte dei casi (soprattutto fibra multimodale), la fibra mantiene la polarizzazione. Quindi la luce in uscita dalla fibra è parzialmente polarizzata e se la fibra viene spostata o la temperatura cambia, anche lo stato di polarizzazione cambierà. Se l'assorbimento della pompa dipende dalla polarizzazione, ciò può creare notevoli problemi di stabilità nei laser a stato solido pompati a diodi.