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        光纖耦合二極管激光器——將產生的光耦合到光纖中的二極管激光裝置

        時間:2021-08-05 來源:新特光電 訪問量:1329

        在許多應用中,將激光二極管的輸出耦合到光纖中以將光傳輸到需要的地方是很方便的。光纖耦合(也稱為光纖集成或光纖尾纖)二極管激光器有幾個優點:

        • 從光纖發出的光具有圓形、平滑(均勻化)的強度分布和對稱光束質量,在許多情況下非常方便。例如,為端面泵浦固體激光器產生圓形泵浦光斑需要不太復雜的光學器件。

        • 可以將激光二極管連同其冷卻裝置一起拆下,例如從固態激光頭上拆下,固態激光頭可以更緊湊,并在此處為其他零件留出更多空間。

        • 有缺陷的光纖耦合二極管激光器可以很容易地更換,而無需改變使用光的設備的對齊方式。

        • 光纖耦合器件可以很容易地與其他光纖組件組合。

        光纖耦合半導體激光器

        光纖耦合半導體激光器,二極管激光器模塊

        光纖耦合二極管激光器的類型

        許多二極管激光器以光纖耦合形式出售,在激光器封裝中內置了堅固的光纖耦合光學器件(例如,永久性激光焊接光纖附件)。不同的二極管激光器使用的光纖和技術有很大不同:

        最簡單的情況是 VCSEL(垂直腔面發射激光器),它通常發出光束質量高、光束發散度適中、無像散和圓形強度分布的光束。一個簡單的球面透鏡足以用于成像的發射點到芯一個的單模光纖。耦合效率可以達到 70-80% 的數量級。也可以將光纖直接耦合(對接)到 VCSEL 的發射表面。

        小型邊緣發射激光二極管也以單空間模式發射,因此原則上也允許與單模光纖有效耦合。然而,如果使用簡單的球面透鏡,耦合效率會因光束的橢圓度而顯著降低。此外,光束發散角在至少一個方向上相對較高,需要具有相對較高數值孔徑的透鏡。另一個問題是二極管輸出的像散,特別是增益導引二極管;這可以通過額外的弱柱面透鏡來補償。輸出功率高達幾百毫瓦,光纖耦合增益引導 LD 可用于泵浦等摻鉺光纖放大器。

        光纖耦合低功率邊發射激光二極管的示意圖設置

        簡單的光纖耦合低功率邊發射激光二極管的示意圖設置。球面透鏡(或可能是雙透鏡)用于將激光二極管面成像到光纖芯。光束橢圓度和像散會降低耦合效率。

        廣域激光二極管在發射器的長方向上是空間多模的。如果用圓柱透鏡(如光纖透鏡,見圖3)簡單地塑造圓光束,然后發射到多模光纖中,由于無法利用快軸方向的高光束質量,許多亮度(輻射度)將丟失。例如,1 W的功率可發射到芯徑為50μm、數值孔徑(NA)為0.12的多模光纖中。這足以泵浦低功率體激光器,例如微芯片激光器。即使發射功率為10 W也是可能的。

        簡單的光纖耦合廣域激光二極管的示意圖設置

        簡單的光纖耦合廣域激光二極管的示意圖設置。光纖透鏡用于在快軸方向準直光束。

        一種改進的廣域激光器技術是基于在發射前對光束進行整形以獲得對稱光束質量(而不僅僅是對稱光束半徑)。這允許更高的亮度。

        對于二極管條(二極管陣列),光束質量不對稱的問題更加嚴重。這里,單個發射器的輸出可以耦合到光纖束的單獨光纖中。光纖在二極管條的一側以線性陣列排列,但在輸出端以圓形陣列排列?;蛘?,在發射到單個多模光纖之前,可以使用某種光束整形器來使光束質量對稱。這可以通過例如兩鏡光束整形器或一些微光學元件來完成。例如,可以將 30 W 耦合到纖芯直徑為 200-μm(甚至 100-μm)且 NA 為 0.22 的光纖中。這種裝置可用于例如泵送Nd:YAG或Nd:YVO 4激光器,輸出功率約為 15 W。

        對于二極管堆棧,使用芯直徑更大的光纖。例如,可以將數百瓦(甚至幾千瓦)的光功率耦合到纖芯直徑為 600 微米且 NA = 0.22 的光纖中。

        光纖耦合的缺點

        與自由空間發射激光器相比,光纖耦合二極管激光器的一些潛在缺點是:

        • 成本更高。然而,這可能會被更簡單的光束處理和交付所帶來的節省所抵消。

        • 輸出功率略有降低,更重要的是亮度(radiance)。亮度損失可能很大(超過一個數量級)或相當小,這取決于光纖耦合技術。在一些情況下,這可能不是問題,但是在其他情況下,它介紹了顯著挑戰例如用于設計一個的二極管泵浦 散裝激光或高功率光纖激光器。

        • 在大多數情況下(尤其是多模光纖),光纖不是保偏的。光纖輸出通常會被部分偏振,當光纖移動或溫度變化時,偏振狀態會發生變化。當泵浦吸收與偏振相關時(例如在Nd:YVO 4 中),這會導致二極管泵浦固態激光器的嚴重穩定性問題。

        也可能無法獲得每個光波長的光纖耦合激光二極管產品。

        光纖輸出光束質量

        光纖輸出的光束質量通常沒有規定;在許多情況下,只有纖芯直徑和數值孔徑(NA) 是已知的,并且假設是階躍折射率 多模光纖。在這種情況下,沒有公式可以精確計算光束質量,因為它取決于光纖模式上的光功率分布,而這種分布本身取決于發射條件。然而,光束質量M 2因子可以粗略估計,假設功率在模式上分布良好,因此數值孔徑代表了對實際光束發散角的合理估計(可能略高)。這導致等式Μ2≈(πα/λ)ΝΑ,其中a是光纖纖芯半徑(即纖芯直徑的一半)。如果光主要以低階引導光纖模式發射,光束質量也可以顯著提高,但可能會因光纖的強烈彎曲而降低。

        Frankfurt Laser激光二極管

        德國Frankfurt Laser Company(以下簡稱“FLC”)成立于1994年,從事于研發,生產和銷售FP, DBR 和DBR激光二極管,可單獨編址的SM和大面積激光二極管陣列,垂直腔面發射激光器和量子級聯激光器,并將它們集成到激光二極管模塊,光纖耦合,二極管泵浦固體倍頻激光器和OEM模塊中。其產品覆蓋了266nm到12μm波長范圍和5mW到750W功率范圍。FLC供應波長范圍從650nm到3300nm SLDs 和1.6μm 到 4μm的中紅外LEDs.為了豐富產品線,FLC還提供SMT激光二極管驅動,光學準直器,光學直線發生器,半導體激光頭和激光帽以及激光二極管芯片。20多年來,FLC通過國際銷售網絡服務于歐洲及世界各地的激光公司。Frankfurt Laser有能力為各種高要求的激光應用領域如,航天,工業和醫療方面提供支持與服務。

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