Laser semicondutor acoplado a fibra

Definição: Um laser de diodo no qual a luz gerada é acoplada a uma fibra óptica.

Em muitos casos, é necessário acoplar a luz de saída de um laser de diodo a uma fibra óptica para que a luz possa ser transmitida para onde for necessária. Os lasers semicondutores acoplados a fibra têm as seguintes vantagens:

1. A curva de intensidade da luz emitida pela fibra óptica é geralmente suave e circular, e a qualidade do feixe é simétrica, o que é muito conveniente na aplicação. Por exemplo, ópticas menos complexas são usadas para gerar pontos de bomba circulares para lasers de estado sólido bombeados na extremidade.

2. Se o diodo laser e seu dispositivo de resfriamento forem removidos do cabeçote do laser de estado sólido, o laser se tornará muito pequeno e haverá espaço suficiente para colocar outras peças ópticas.

3. A substituição de lasers semicondutores opticamente acoplados não qualificados não requer alteração da disposição do dispositivo.

4. O dispositivo de acoplamento óptico é fácil de usar em combinação com outros dispositivos de fibra óptica.

Tipos de laser semicondutor acoplado a fibra

Muitos lasers de diodo acabados são acoplados a fibra, contendo óptica acoplada a fibra muito robusta no pacote do laser. Diferentes lasers de diodo usam diferentes fibras e tecnologias.

O caso mais simples é que um VCSEL (Laser de Radiação de Superfície de Cavidade Vertical) normalmente irradia um feixe com qualidade de feixe muito alta, divergência de feixe média, sem astigmatismo e uma distribuição de intensidade circular. A imagem do ponto de radiação no núcleo de uma fibra monomodo requer uma lente esférica simples. A eficiência do acoplamento pode chegar a 70-80%. As fibras ópticas também podem ser acopladas diretamente na superfície radiante do VCSEL.

Pequenos diodos laser emissores de borda também irradiam um único modo espacial e, portanto, podem, em princípio, acoplar-se eficientemente em fibras monomodo. No entanto, se for utilizada apenas uma lente esférica simples, a elipticidade do feixe reduzirá grandemente a eficiência do acoplamento. E o ângulo de divergência do feixe é relativamente grande em pelo menos uma direção, portanto a lente precisa ter uma abertura numérica relativamente grande. Outro problema é o astigmatismo presente na luz de saída do diodo, principalmente do diodo guiado por ganho, que pode ser compensado com o uso de uma lente cilíndrica adicional. Se a potência de saída atingir várias centenas de miliwatts, diodos laser guiados por ganho acoplados a fibra podem ser usados ​​para bombear amplificadores de fibra dopada com érbio.

Figura 2: Esquema de um diodo laser emissor de borda acoplado a fibra simples de baixa potência. A lente esférica é usada para visualizar a luz emitida da superfície do diodo laser no núcleo da fibra. A elipticidade do feixe e o astigmatismo reduzem a eficiência do acoplamento.

Os diodos laser de grande área são espacialmente multimodos na direção da radiação. Se você apenas moldar o feixe circular através de uma lente cilíndrica (por exemplo, uma lente de fibra, como mostrado na Figura 3) e depois inserir a fibra multimodo, a maior parte do brilho será perdida porque o feixe de alta qualidade na direção do eixo rápido A qualidade não pode ser usada. Por exemplo, a luz com potência de 1W pode entrar em uma fibra multimodo com diâmetro de núcleo de 50 mícrons e abertura numérica de 0,12. Essa luz é suficiente para bombear um laser volumétrico de baixa potência, como um laser de microchip. Até mesmo emitir 10W de luz é possível.

Figura 3: Esquema de um diodo laser simples de grande área acoplado opticamente. Lentes de fibra óptica são usadas para colimar a luz na direção do eixo rápido.

Uma tecnologia de laser de banda larga aprimorada seria moldar o feixe para ter uma qualidade de feixe simétrica (não apenas o raio do feixe) antes de dispará-lo. Isso também resulta em maior brilho.

Em arranjos de diodos, o problema da qualidade assimétrica do feixe é ainda mais sério. A saída de cada transmissor pode ser acoplada a uma fibra diferente no feixe de fibras. As fibras ópticas estão dispostas linearmente em um lado do conjunto de diodos, mas as extremidades de saída estão dispostas em um conjunto circular. Um modelador de feixe pode ser usado para obter qualidade de feixe simétrico antes de lançá-lo em uma fibra multimodo. Isso permite que 30 W de luz sejam acoplados a uma fibra de 200 mícrons de diâmetro com abertura numérica de 0,22. Este dispositivo pode ser usado para bombear lasers Nd:YAG ou Nd:YVO4 para obter uma potência de saída de aproximadamente 15W.

Em pilhas de diodos, fibras com diâmetros de núcleo maiores também são comumente usadas. Várias centenas de watts (ou mesmo vários quilowatts) de luz podem ser acopladas a uma fibra óptica com diâmetro de núcleo de 600 mícrons e abertura numérica de 0,22.

Desvantagens do acoplamento de fibra.

Algumas desvantagens dos lasers semicondutores acoplados a fibra em comparação com os lasers de radiação de espaço livre incluem:

custo mais elevado. Os custos podem ser reduzidos se os processos de manuseio e transmissão do feixe forem simplificados.

A potência de saída é um pouco menor e, mais importante, o brilho. A perda de brilho às vezes é muito grande (maior que uma ordem de grandeza) e às vezes pequena, dependendo da tecnologia de acoplamento de fibra utilizada. Em alguns casos isso não importa, mas em outros casos torna-se um problema, como no projeto de lasers a granel bombeados por diodo ou lasers de fibra de alta potência.

Na maioria dos casos (especialmente fibra multimodo), a fibra mantém a polarização. Então, a luz de saída da fibra é parcialmente polarizada e, se a fibra for movida ou a temperatura mudar, o estado de polarização também mudará. Se a absorção da bomba depender da polarização, isso pode criar problemas significativos de estabilidade em lasers de estado sólido bombeados por diodo.