Sok alkalmazásban kényelmes a lézerdióda kimenetét optikai szálhoz csatlakoztatni, hogy a fényt oda továbbítsák, ahol arra szükség van.
Előnyök:
A szálból kibocsátott fény kerek, sima (homogenizált) intenzitásprofillal és szimmetrikus sugárminőséggel rendelkezik, ami sok esetben nagyon kényelmes. Például kevésbé bonyolult optikára van szükség egy kerek szivattyúpont előállításához egy végszivattyús szilárdtestlézerhez.
A lézerdióda a hűtésével együtt eltávolítható például egy szilárdtest lézerfejről, ami kompaktabb lehet, és több helyet hagy itt a többi alkatrésznek.
A hibás szálcsatolt dióda lézer könnyen cserélhető anélkül, hogy a fény segítségével megváltoztatná a készülék beállítását.
A szálcsatolt alkatrészek könnyen kombinálhatók más szálas alkatrészekkel.
A szálcsatolt dióda lézerek típusai
Sok dióda lézer szálcsatolásos formában kerül forgalomba, a lézercsomagba beépített robusztus szálcsatoló optikával (pl. állandó lézerhegesztő szálcsatlakozás). A különböző diódalézerekhez használt szálak és technológiák nagymértékben eltérőek:
A legegyszerűbb eset a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), amely jellemzően jó minőségű, mérsékelt sugárdivergencia, asztigmatizmusmentes és körkörös intenzitáseloszlású sugarat bocsát ki. Egy egyszerű gömblencse elegendő az emissziós pontnak az egymódusú szál magjába történő leképezéséhez. 70-80% nagyságrendű csatolási hatékonyság érhető el. Lehetőség van arra is, hogy a szálat közvetlenül a VCSEL kibocsátó felületéhez csatolják (tompilletve).
A kis élkibocsátó lézerdiódák is egyetlen térbeli módban sugároznak, és így elvileg az egymódusú szálakhoz való hatékony csatolást is lehetővé teszik. Ha azonban egyszerű gömblencsét használunk, a csatolási hatásfok jelentősen csökken a sugár ellipticitásával. Ezenkívül a sugárdivergencia legalább egy irányban viszonylag nagy, ezért viszonylag nagy numerikus apertúrájú lencsékre van szükség. További probléma a diódakimenet asztigmatizmusa, különösen az erősítésvezérelt diódák esetében; ezt további gyenge hengeres lencsékkel lehet kompenzálni. A néhány száz milliwattig terjedő kimeneti teljesítménnyel a szálcsatolt erősítésvezérelt LD-k például erbiummal adalékolt szálas erősítők szivattyúzására használhatók.
Egy egyszerű, szálcsatolt, kis teljesítményű élkibocsátó lézerdióda sematikus felállítása. Egy gömb alakú lencsét (vagy esetleg egy dupla lencsét) használnak a lézerdióda fazettájának a szálmagba való képalkotására. A nyaláb ellipticitása és az asztigmatizmus csökkenti a csatolás hatékonyságát.
A nagy felületű lézerdiódák térben többmódusúak az emitter hosszú irányában. Ha a kerek sugarat egyszerűen megformázzuk egy hengeres lencsével, majd multimódusú szálba indítjuk, akkor a fényesség (sugárzás) nagy része elvész, mivel a gyors tengely irányában a magas sugárminőség nem használható ki. Például 1 W teljesítmény indítható egy többmódusú szálba, amelynek magátmérője 50 μm és numerikus apertúrája (NA) 0,12. Ez elegendő kis teljesítményű ömlesztett lézerek, például mikrochip lézerek pumpálásához. Még 10 W-os indítóteljesítmény is lehetséges.
Egy egyszerű szálcsatolt nagy felületű lézerdióda sematikus felállítása. Egy szálas lencsét használnak a nyaláb gyors tengelyirányú kollimálására.
A továbbfejlesztett, széles hatótávolságú lézertechnológia alapja a sugár formázása az indítás előtt, hogy szimmetrikus sugárminőséget kapjunk (nem csak szimmetrikus sugársugár). Ez nagyobb fényerőt tesz lehetővé.
A dióda rudak (diódatömbök) esetében az aszimmetrikus sugárminőség problémája még súlyosabb. Itt az egyes emitterek kimenetei egy szálköteg különálló szálaiba kapcsolhatók. A szálak lineáris tömbben vannak elrendezve a dióda rúd egyik oldalán, de kör alakú elrendezésben a kimeneti oldalon. Alternatív megoldásként valamilyen sugárformázót lehet használni a sugár minőségének szimmetrikussá tételére, mielőtt egyetlen multimódusú szálba indítanánk. Ezt megtehetjük például kéttükrös sugárformázóval vagy valamilyen mikrooptikával. Például 30 W-ot csatlakoztathatunk egy 200-μm (vagy akár 100-μm) magátmérőjű és 0,22 NA értékű szálba. Ez a beállítás használható például Nd:YAG vagy Nd:YVO 4 lézerek szivattyúzására körülbelül 15 W kimeneti teljesítménnyel.
A diódaköteghez nagyobb magátmérőjű szálakat használnak. Például több száz watt (vagy akár kilowatt) optikai teljesítmény csatlakoztatható egy 600 μm magátmérőjű és NA=0.22 szálhoz.
A szálcsatolás hátrányai
A szálcsatolt dióda lézerek néhány lehetséges hátránya a szabad teret kibocsátó lézerekhez képest:
Magasabb költség. Ezt azonban ellensúlyozhatja az egyszerűbb gerendakezelésből és szállításból származó megtakarítás.
A kimeneti teljesítmény kissé csökken, és ami még fontosabb, a kisugárzás. A sugárzási veszteség a szálcsatolási technikától függően lehet nagy (nagyságrend feletti) vagy egészen kicsi. Egyes esetekben ez nem jelent problémát, más esetekben azonban jelentős kihívásokat vet fel, mint például a diódapumpás tömeglézer vagy a nagy teljesítményű szálas lézer tervezése.
A legtöbb esetben (különösen a többmódusú szálaknál) a szál nem polarizáció-fenntartó. A szálkimenet jellemzően részlegesen polarizált, és a polarizációs állapot megváltozik, amikor a szálat mozgatják vagy a hőmérséklet megváltozik. Ez komoly stabilitási problémákhoz vezethet a diódapumpás szilárdtestlézereknél, ha a szivattyú abszorpciója polarizációfüggő (mint például az Nd:YVO 4 ).
Előfordulhat, hogy a szálcsatolt lézerdióda termékek nem állnak rendelkezésre minden optikai hullámhosszon.
Fiber Output Beam Quality
A szálkibocsátás sugárminősége általában nincs megadva; sok esetben csak a mag átmérője és a numerikus apertúra (NA) ismert, és lépésindexes multimódusú szálat feltételezünk. Ebben az esetben nincs képlet a sugár minőségének pontos kiszámítására, mivel az az optikai teljesítmény eloszlásától függ a szálas módok között, ami maga is függ az indítási körülményektől. Az M2 sugárminőségi tényező azonban durván megbecsülhető, feltételezve, hogy a teljesítmény jól eloszlik az üzemmódok között, és ezért a numerikus apertúra a tényleges sugárdivergencia ésszerű becslését jelenti (amely valamivel magasabb is lehet). Ez az M2≈(π /λ)ΝΑ egyenlethez vezet, ahol a a szál mag sugara (azaz a mag átmérőjének fele). A sugár minősége jelentősen javítható, ha a fényt túlnyomórészt alacsonyrendű irányított szál módban bocsátjuk ki, de a szál erős hajlítása ronthatja.
A címünk
B-1507 Ruiding Mansion, No.200 Zhenhua Rd, Xihu District
Telefonszám
0086 181 5840 0345
info@brandnew-china.com
