Skaidulinis puslaidininkinis lazeris

Apibrėžimas: diodinis lazeris, kuriame generuojama šviesa sujungiama į optinį pluoštą.

Daugeliu atvejų diodinio lazerio išėjimo šviesą reikia sujungti su optiniu pluoštu, kad šviesa būtų perduodama ten, kur jos reikia. Skaiduliniai puslaidininkiniai lazeriai turi šiuos privalumus:

1. Iš optinio pluošto skleidžiamos šviesos intensyvumo kreivė paprastai yra lygi ir apvali, o pluošto kokybė yra simetriška, o tai labai patogu naudoti. Pavyzdžiui, mažiau sudėtinga optika naudojama apskrito siurblio dėmėms generuoti galutiniam siurbimui kietojo kūno lazeriuose.

2. Nuėmus lazerinį diodą ir jo aušinimo įrenginį nuo kietojo kūno lazerio galvutės, lazeris tampa labai mažas ir lieka pakankamai vietos kitoms optinėms dalims išdėstyti.

3. Keičiant nekvalifikuotus optiškai sujungtus puslaidininkinius lazerius, nereikia keisti įrenginio išdėstymo.

4. Optinį sujungimo įtaisą lengva naudoti kartu su kitais šviesolaidiniais įrenginiais.

Skaidulinių puslaidininkinių lazerių tipai

Daugelis gatavų diodinių lazerių yra sujungti su pluoštu, o lazerio pakuotėje yra labai tvirta šviesolaidžio optika. Skirtingi diodiniai lazeriai naudoja skirtingus pluoštus ir technologijas.

Paprasčiausias atvejis yra tai, kad VCSEL (vertikalios ertmės paviršiaus spinduliavimo lazeris) paprastai spinduliuoja labai aukštos kokybės pluoštą, vidutinį pluošto divergenciją, be astigmatizmo ir apskrito intensyvumo pasiskirstymą. Norint pavaizduoti spinduliuotės tašką į vienmodio pluošto šerdį, reikia paprasto sferinio lęšio. Sukabinimo efektyvumas gali siekti 70-80%. Optinės skaidulos taip pat gali būti tiesiogiai sujungtos su VCSEL spinduliuojančiu paviršiumi.

Maži kraštą spinduliuojantys lazeriniai diodai taip pat spinduliuoja vienu erdviniu režimu ir todėl iš esmės gali efektyviai susijungti į vieno režimo skaidulas. Tačiau jei naudojamas tik paprastas sferinis lęšis, spindulio elipsiškumas labai sumažins sukabinimo efektyvumą. O spindulio nukrypimo kampas yra palyginti didelis bent viena kryptimi, todėl objektyvas turi turėti gana didelę skaitmeninę diafragmą. Kita problema yra astigmatizmas, esantis diodo, ypač stiprinimo valdomo diodo, išėjimo šviesoje, kurį galima kompensuoti naudojant papildomą cilindrinį lęšį. Jei išėjimo galia siekia kelis šimtus milivatų, erbiu legiruotiems skaiduliniams stiprintuvams pumpuoti galima naudoti šviesolaidžiu sujungtus stiprinimo valdomus lazerinius diodus.

2 pav. Paprasto mažos galios skaiduliniu ryšiu sujungto krašto spinduliuojančio lazerinio diodo schema. Sferinis lęšis naudojamas šviesai, skleidžiamai iš lazerio diodo paviršiaus į pluošto šerdį, vaizduoti. Spindulio elipsiškumas ir astigmatizmas sumažina sujungimo efektyvumą.

Didelio ploto lazeriniai diodai yra erdviniai kelių režimų spinduliavimo kryptimi. Jei tiesiog suformuosite apskritą spindulį per cilindrinį lęšį (pavyzdžiui, skaidulinį lęšį, kaip parodyta 3 paveiksle) ir tada įeisite į daugiamodį pluoštą, prarasite didžiąją dalį ryškumo, nes aukštos kokybės spindulys greitosios ašies kryptimi. Negalima naudoti kokybės. Pavyzdžiui, šviesa, kurios galia yra 1 W, gali patekti į daugiamodį pluoštą, kurio šerdies skersmuo yra 50 mikronų, o skaitmeninė diafragma yra 0,12. Šios šviesos pakanka siurbti mažos galios masinį lazerį, pavyzdžiui, mikroschemą. Galima skleisti net 10W šviesą.

3 pav. Paprasto optiškai sujungto didelio ploto lazerinio diodo schema. Šviesolaidiniai lęšiai naudojami šviesai kolimuoti greitos ašies kryptimi.

Patobulinta plačiajuosčio ryšio lazerio technologija būtų suformuoti spindulį taip, kad jo kokybė būtų simetriška (ne tik spindulio spindulys), prieš jį šaunant. Tai taip pat lemia didesnį ryškumą.

Diodų matricose asimetrinio pluošto kokybės problema yra dar rimtesnė. Kiekvieno siųstuvo išvestis gali būti prijungta prie skirtingo pluošto pluošto pluošto. Optinės skaidulos yra tiesiškai išdėstytos vienoje diodų matricos pusėje, tačiau išvesties galai yra išdėstyti apskritime. Norint pasiekti simetrišką pluošto kokybę prieš paleidžiant spindulį į daugiamodį pluoštą, galima naudoti sijos formuotoją. Tai leidžia 30 W šviesos prijungti prie 200 mikronų skersmens pluošto, kurio skaitmeninė diafragma yra 0,22. Šis įrenginys gali būti naudojamas Nd:YAG arba Nd:YVO4 lazeriams siurbti, kad išėjimo galia būtų maždaug 15 W.

Diodų kaminuose taip pat dažniausiai naudojami didesnio šerdies skersmens pluoštai. Į optinį pluoštą, kurio šerdies skersmuo yra 600 mikronų, o skaitmeninė diafragma yra 0,22, galima sujungti kelis šimtus vatų (ar net kelis kilovatus) šviesos.

Pluošto sujungimo trūkumai.

Kai kurie pluoštu sujungtų puslaidininkinių lazerių trūkumai, palyginti su laisvos erdvės spinduliuotės lazeriais, yra šie:

didesnė kaina. Sąnaudos gali būti sumažintos, jei supaprastinami spindulių apdorojimo ir perdavimo procesai.

Išėjimo galia yra šiek tiek mažesnė, o dar svarbiau ryškumas. Ryškumo praradimas kartais yra labai didelis (didesnis nei eilės tvarka), o kartais mažas, priklausomai nuo naudojamos pluošto sujungimo technologijos. Kai kuriais atvejais tai neturi reikšmės, tačiau kitais atvejais tai tampa problema, pavyzdžiui, projektuojant diodinius tūrinius lazerius arba didelės galios skaidulinius lazerius.

Daugeliu atvejų (ypač daugiamodio pluošto) pluoštas palaiko poliarizaciją. Tada pluošto išėjimo šviesa yra iš dalies poliarizuota, o jei pluoštas pajudinamas arba keičiasi temperatūra, pasikeis ir poliarizacijos būsena. Jei siurblio sugertis priklauso nuo poliarizacijos, tai gali sukelti didelių stabilumo problemų diodu siurbiamuose kietojo kūno lazeriuose.