Laser bán dẫn kết hợp sợi quang

Định nghĩa: Một laser diode trong đó ánh sáng được tạo ra được ghép vào một sợi quang.

Trong nhiều trường hợp, cần ghép ánh sáng đầu ra từ laser diode vào sợi quang để ánh sáng có thể được truyền đến nơi cần thiết. Laser bán dẫn ghép sợi quang có những ưu điểm sau:

1. Đường cong cường độ của ánh sáng phát ra từ sợi quang nhìn chung mịn và tròn, chất lượng chùm tia đối xứng, rất thuận tiện trong ứng dụng. Ví dụ, quang học ít phức tạp hơn được sử dụng để tạo ra các điểm bơm tròn cho laser trạng thái rắn được bơm cuối.

2. Nếu tháo diode laser và thiết bị làm mát của nó ra khỏi đầu laser trạng thái rắn, tia laser sẽ trở nên rất nhỏ và có đủ không gian để đặt các bộ phận quang học khác.

3. Việc thay thế các laser bán dẫn ghép quang không đủ tiêu chuẩn không yêu cầu thay đổi cách sắp xếp của thiết bị.

4. Thiết bị ghép quang dễ sử dụng kết hợp với các thiết bị cáp quang khác.

Các loại Laser bán dẫn ghép sợi quang

Nhiều laser diode thành phẩm được ghép nối bằng sợi quang, chứa các thành phần quang học ghép sợi quang rất chắc chắn trong gói laser. Các laser diode khác nhau sử dụng các loại sợi và công nghệ khác nhau.

Trường hợp đơn giản nhất là VCSEL (Laser bức xạ bề mặt khoang dọc) thường phát ra chùm tia có chất lượng chùm tia rất cao, độ phân kỳ chùm tia trung bình, không loạn thị và phân bố cường độ hình tròn. Để chụp ảnh điểm bức xạ vào lõi của sợi quang đơn mode cần một thấu kính hình cầu đơn giản. Hiệu suất ghép có thể đạt 70-80%. Sợi quang cũng có thể được ghép trực tiếp vào bề mặt bức xạ của VCSEL.

Các điốt laser phát cạnh nhỏ cũng phát ra một chế độ không gian duy nhất và do đó, về nguyên tắc, có thể kết hợp hiệu quả thành các sợi đơn chế độ. Tuy nhiên, nếu chỉ sử dụng một thấu kính hình cầu đơn giản thì độ elip của chùm tia sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất ghép. Và góc phân kỳ của chùm tia tương đối lớn theo ít nhất một hướng, do đó ống kính cần có khẩu độ số tương đối lớn. Một vấn đề khác là hiện tượng loạn thị trong ánh sáng đầu ra của diode, đặc biệt là diode khuếch đại, có thể được bù bằng cách sử dụng một thấu kính hình trụ bổ sung. Nếu công suất đầu ra đạt tới vài trăm miliwatt, thì có thể sử dụng điốt laser dẫn hướng khuếch đại kết hợp sợi quang để bơm các bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium.

Hình 2: Sơ đồ của một diode laser phát cạnh ghép nối sợi quang công suất thấp đơn giản. Thấu kính hình cầu được sử dụng để ghi ảnh ánh sáng phát ra từ bề mặt của diode laser vào lõi sợi quang. Độ elip và loạn thị của chùm tia làm giảm hiệu quả ghép.

Điốt laser diện tích lớn có nhiều chế độ theo không gian theo hướng bức xạ. Nếu bạn chỉ định hình chùm tia tròn thông qua một thấu kính hình trụ (ví dụ: thấu kính sợi quang, như trong Hình 3) rồi nhập vào sợi quang đa mode, phần lớn độ sáng sẽ bị mất do chùm tia chất lượng cao theo hướng trục nhanh Chất lượng không thể sử dụng được. Ví dụ, ánh sáng có công suất 1W có thể đi vào sợi đa mode có đường kính lõi 50 micron và khẩu độ số 0,12. Ánh sáng này đủ để bơm một lượng lớn tia laser công suất thấp, chẳng hạn như laser vi mạch. Thậm chí có thể phát ra ánh sáng 10W.

Hình 3: Sơ đồ của một diode laser diện rộng được ghép nối quang học đơn giản. Thấu kính sợi quang được sử dụng để đối chiếu ánh sáng theo hướng trục nhanh.

Một công nghệ laser băng thông rộng cải tiến sẽ định hình chùm tia để có chất lượng chùm tia đối xứng (không chỉ bán kính chùm tia) trước khi bắn nó. Điều này cũng dẫn đến độ sáng cao hơn.

Trong mảng diode, vấn đề về chất lượng chùm tia không đối xứng thậm chí còn nghiêm trọng hơn. Đầu ra của mỗi máy phát có thể được ghép vào một sợi khác nhau trong bó sợi. Các sợi quang được bố trí tuyến tính ở một phía của mảng diode, nhưng các đầu ra được sắp xếp thành một mảng hình tròn. Có thể sử dụng bộ định hình chùm tia để đạt được chất lượng chùm tia đối xứng trước khi phóng chùm tia vào sợi quang đa mode. Điều này cho phép ghép 30W ánh sáng thành sợi có đường kính 200 micron với khẩu độ số 0,22. Thiết bị này có thể được sử dụng để bơm laser Nd:YAG hoặc Nd:YVO4 để đạt được công suất đầu ra khoảng 15W.

Trong các ngăn xếp diode, sợi có đường kính lõi lớn hơn cũng thường được sử dụng. Vài trăm watt (hoặc thậm chí vài kilowatt) ánh sáng có thể được ghép thành một sợi quang có đường kính lõi 600 micron và khẩu độ số 0,22.

Nhược điểm của khớp nối sợi.

Một số nhược điểm của laser bán dẫn ghép sợi quang so với laser bức xạ không gian tự do bao gồm:

giá cao hơn. Chi phí có thể giảm nếu quá trình xử lý và truyền chùm tia được đơn giản hóa.

Công suất đầu ra nhỏ hơn một chút và quan trọng hơn là độ sáng. Sự mất độ sáng đôi khi rất lớn (lớn hơn một bậc độ lớn) và đôi khi nhỏ, tùy thuộc vào công nghệ ghép sợi được sử dụng. Trong một số trường hợp, điều này không thành vấn đề, nhưng trong những trường hợp khác, nó lại trở thành vấn đề, chẳng hạn như trong thiết kế các laser khối bơm đi-ốt hoặc các laser sợi quang công suất cao.

Trong hầu hết các trường hợp (đặc biệt là sợi đa mode), sợi được duy trì phân cực. Khi đó ánh sáng đầu ra của sợi quang bị phân cực một phần và nếu sợi quang bị di chuyển hoặc nhiệt độ thay đổi thì trạng thái phân cực cũng sẽ thay đổi. Nếu độ hấp thụ của bơm phụ thuộc vào sự phân cực thì điều này có thể tạo ra các vấn đề đáng kể về độ ổn định trong các laser rắn được bơm đi-ốt.