Талшықты біріктірілген жартылай өткізгішті лазер

Анықтама: жарық оптикалық талшыққа біріктірілген диодты лазер.

Көптеген жағдайларда диодты лазерден шығатын жарықты оптикалық талшыққа қосу қажет, осылайша жарық қажет жерге жіберіледі. Талшықты жартылай өткізгіш лазерлердің келесі артықшылықтары бар:

1. Оптикалық талшықтан шығарылатын жарықтың қарқындылық қисығы әдетте тегіс және дөңгелек, ал сәуленің сапасы симметриялы, бұл қолдануда өте ыңғайлы. Мысалы, соңғы айдалатын қатты күйдегі лазерлер үшін дөңгелек сорғы дақтарын генерациялау үшін күрделі емес оптика қолданылады.

2. Егер лазерлік диод пен оның салқындатқыш құрылғысы қатты күйдегі лазер басынан алынып тасталса, лазер өте кішкентай болады және басқа оптикалық бөліктерді орналастыру үшін жеткілікті орын болады.

3. Біліктілігі жоқ оптикалық байланысқан жартылай өткізгіш лазерлерді ауыстыру құрылғының орналасуын өзгертуді қажет етпейді.

4. Оптикалық байланыстыру құрылғысын басқа талшықты-оптикалық құрылғылармен бірге пайдалану оңай.

Талшықты біріктірілген жартылай өткізгіш лазер түрлері

Көптеген дайын диодты лазерлер талшықты біріктірілген, лазер пакетінде өте берік талшықты байланысқан оптика бар. Әртүрлі диодты лазерлер әртүрлі талшықтар мен технологияларды пайдаланады.

Ең қарапайым жағдай VCSEL (вертикальды қуысты беттік сәулелену лазері) әдетте өте жоғары сәуле сапасымен, орташа сәулелік дивергенциямен, астигматизмсіз және айналмалы қарқындылықпен таралатын сәулені шығарады. Бір режимді талшықтың өзегіне сәулелену орнын бейнелеу қарапайым сфералық линзаны қажет етеді. Қосылу тиімділігі 70-80% жетуі мүмкін. Оптикалық талшықтарды VCSEL сәулелену бетіне тікелей қосуға болады.

Шағын жиекті лазерлік диодтар да бір кеңістіктік режимді сәулелендіреді және осылайша, негізінен, бір режимді талшықтарға тиімді қосыла алады. Алайда, егер қарапайым сфералық линза ғана қолданылса, сәуленің эллипстік қасиеті байланыстыру тиімділігін айтарлықтай төмендетеді. Ал сәуленің дивергенциясының бұрышы кем дегенде бір бағытта салыстырмалы түрде үлкен, сондықтан линзаның салыстырмалы түрде үлкен сандық апертурасы болуы керек. Тағы бір мәселе - диодтың шығыс жарығында болатын астигматизм, әсіресе күшейту диодында, оны қосымша цилиндрлік линзаны пайдалану арқылы өтеуге болады. Егер шығыс қуаты бірнеше жүз милливаттқа жетсе, талшықты қосылатын күшейту арқылы басқарылатын лазерлік диодтарды эрбиум қосылған талшықты күшейткіштерді айдау үшін пайдалануға болады.

2-сурет: Төмен қуатты талшықпен байланыстырылған жиекті сәулелі лазерлік диодтың схемасы. Сфералық линза лазерлік диодтың бетінен талшық өзегіне түсетін жарықты бейнелеу үшін қолданылады. Арқалық эллиптикалық және астигматизм байланыс тиімділігін төмендетеді.

Үлкен аумақты лазерлік диодтар сәулелену бағытында кеңістіктік көп режимді болып табылады. Дөңгелек сәулені цилиндрлік линза арқылы (мысалы, талшықты линза, 3-суретте көрсетілгендей) жай ғана пішіндесеңіз, содан кейін мультимодты талшыққа кірсеңіз, жарықтылықтың көп бөлігі жоғалады, себебі жоғары сапалы сәуле жылдам ось бағытында. Сапаны пайдалану мүмкін емес. Мысалы, қуаты 1 Вт болатын жарық ядросының диаметрі 50 микрон және сандық саңылауы 0,12 болатын мультимодты талшыққа кіре алады. Бұл жарық аз қуатты көлемді лазерді, мысалы, микрочипті лазерді айдау үшін жеткілікті. Тіпті 10 Вт жарық шығаруға болады.

3-сурет: Қарапайым оптикалық байланысқан үлкен аумақты лазерлік диодтың схемасы. Талшықты-оптикалық линзалар жылдам ось бағытында жарықты коллимациялау үшін қолданылады.

Жақсартылған кең жолақты лазерлік технология сәулені түсіру алдында сәуленің симметриялық сапасына (тек сәуленің радиусы ғана емес) ие болуы үшін пішіндеу болады. Бұл сонымен қатар жоғары жарықтылыққа әкеледі.

Диод массивтерінде асимметриялық сәуле сапасы мәселесі одан да маңызды. Әрбір таратқыштың шығысы талшықтар бумасындағы басқа талшыққа біріктірілуі мүмкін. Оптикалық талшықтар диод массивінің бір жағында сызықты түрде орналасқан, бірақ шығыс ұштары дөңгелек массивте орналасқан. Сәулені мультимодалы талшыққа іске қоспас бұрын сәуленің симметриялық сапасына қол жеткізу үшін пучка пішіндеу құралын пайдалануға болады. Бұл 30 Вт жарықты 0,22 сандық апертурасы бар диаметрі 200 микрон талшыққа қосуға мүмкіндік береді. Бұл құрылғыны шамамен 15 Вт шығыс қуатын алу үшін Nd:YAG немесе Nd:YVO4 лазерлерін айдау үшін пайдалануға болады.

Диод стекаларында өзек диаметрі үлкен талшықтар да жиі қолданылады. Бірнеше жүз ватт (тіпті бірнеше киловатт) жарықты ядро ​​диаметрі 600 микрон және сандық саңылауы 0,22 болатын оптикалық талшыққа қосуға болады.

Талшықты байланыстырудың кемшіліктері.

Бос ғарыштық сәулелену лазерлерімен салыстырғанда талшықты жартылай өткізгіш лазерлердің кейбір кемшіліктеріне мыналар жатады:

жоғары құны. Егер сәулені өңдеу және беру процестері жеңілдетілген болса, шығындарды азайтуға болады.

Шығу қуаты сәл азырақ және одан да маңыздысы жарықтық. Қолданылатын талшықты біріктіру технологиясына байланысты жарықтылықтың жоғалуы кейде өте үлкен (шамалық тәртіптен үлкен) және кейде аз болады. Кейбір жағдайларда бұл маңызды емес, бірақ басқа жағдайларда бұл диодпен айдалатын көлемді лазерлерді немесе жоғары қуатты талшықты лазерлерді жобалау сияқты мәселеге айналады.

Көп жағдайда (әсіресе мультимодалы талшық) талшық поляризацияны сақтайды. Содан кейін талшықтың шығыс жарығы жартылай поляризацияланады, ал талшық қозғалса немесе температура өзгерсе, поляризация күйі де өзгереді. Егер сорғыны сіңіру поляризацияға тәуелді болса, бұл диодпен айдалатын қатты күйдегі лазерлерде айтарлықтай тұрақтылық мәселелерін тудыруы мүмкін.