섬유 결합 반도체 레이저

정의: 생성된 빛이 광섬유에 결합되는 다이오드 레이저.

많은 경우, 빛이 필요한 곳으로 전송될 수 있도록 다이오드 레이저의 출력 빛을 광섬유에 연결해야 합니다. 섬유 결합 반도체 레이저에는 다음과 같은 장점이 있습니다.

1. 광섬유에서 방출되는 빛의 강도 곡선은 일반적으로 부드럽고 원형이며 빔 품질은 대칭이므로 적용이 매우 편리합니다. 예를 들어, 엔드 펌프 고체 레이저용 원형 펌프 스폿을 생성하는 데 덜 복잡한 광학 장치가 사용됩니다.

2. 고체 레이저 헤드에서 레이저 다이오드와 냉각 장치를 제거하면 레이저가 매우 작아지고 다른 광학 부품을 배치할 공간이 충분해집니다.

3. 자격이 없는 광학 결합 반도체 레이저를 교체하는 데에는 장치 배열을 변경할 필요가 없습니다.

4. 광결합 장치는 다른 광섬유 장치와 결합하여 사용하기 쉽습니다.

섬유 결합 반도체 레이저 유형

많은 완성된 다이오드 레이저는 광섬유 결합되어 있으며 레이저 패키지에 매우 견고한 광섬유 결합 광학 장치가 포함되어 있습니다. 다양한 다이오드 레이저는 다양한 섬유와 기술을 사용합니다.

가장 간단한 경우는 VCSEL(Vertical Cavity Surface Radiation Laser)이 일반적으로 매우 높은 빔 품질, 중간 빔 발산, 난시 없음 및 원형 강도 분포를 갖는 빔을 방사한다는 것입니다. 단일 모드 광섬유의 코어에 방사점을 이미징하려면 간단한 구면 렌즈가 필요합니다. 커플링 효율은 70-80%에 도달할 수 있습니다. 광섬유는 VCSEL의 방사 표면에 직접 연결될 수도 있습니다.

소형 에지 방출 레이저 다이오드도 단일 공간 모드를 방사하므로 원칙적으로 단일 모드 광섬유에 효율적으로 결합될 수 있습니다. 그러나 단순한 구면 렌즈만 사용하는 경우 빔의 타원율로 인해 결합 효율이 크게 감소합니다. 그리고 적어도 한 방향에서는 빔 발산각이 상대적으로 크기 때문에 렌즈는 상대적으로 큰 개구수를 가져야 합니다. 또 다른 문제는 다이오드, 특히 이득 유도 다이오드의 출력 광에 존재하는 난시인데, 이는 추가 원통형 렌즈를 사용하여 보상할 수 있습니다. 출력 전력이 수백 밀리와트에 도달하면 광섬유 결합 이득 유도 레이저 다이오드를 사용하여 에르븀 첨가 광섬유 증폭기를 펌핑할 수 있습니다.

그림 2: 간단한 저전력 광섬유 결합 에지 방출 레이저 다이오드의 회로도. 구면 렌즈는 레이저 다이오드 표면에서 방출된 빛을 광섬유 코어에 이미지화하는 데 사용됩니다. 빔 타원율과 비점수차는 결합 효율을 감소시킵니다.

대면적 레이저 다이오드는 방사 방향으로 공간적으로 다중 모드입니다. 원통형 렌즈(예: 그림 3의 파이버 렌즈)를 통해 원형 빔을 형성한 다음 다중 모드 광섬유에 들어가면 빠른 축 방향의 고품질 빔이 대부분 밝기를 잃게 됩니다. 품질을 사용할 수 없습니다. 예를 들어, 1W 전력의 빛은 코어 직경이 50미크론이고 개구수가 0.12인 다중 모드 광섬유에 들어갈 수 있습니다. 이 빛은 마이크로칩 레이저와 같은 저전력 벌크 레이저를 펌핑하는 데 충분합니다. 10W의 빛을 방출하는 것도 가능합니다.

그림 3: 간단한 광학 결합형 대면적 레이저 다이오드의 회로도. 광섬유 렌즈는 빠른 축 방향으로 빛을 시준하는 데 사용됩니다.

향상된 광대역 레이저 기술은 빔을 발사하기 전에 대칭적인 빔 품질(빔 반경뿐만 아니라)을 갖도록 빔을 형성하는 것입니다. 이는 또한 더 높은 밝기를 가져옵니다.

다이오드 어레이에서는 비대칭 빔 품질 문제가 더욱 심각합니다. 각 송신기의 출력은 섬유 다발의 다른 섬유에 연결될 수 있습니다. 광섬유는 다이오드 어레이의 한쪽 면에 선형으로 배열되지만 출력단은 원형 배열로 배열됩니다. 빔 셰이퍼를 사용하면 빔을 다중 모드 광섬유로 발사하기 전에 대칭적인 빔 품질을 얻을 수 있습니다. 이를 통해 30W의 빛이 0.22의 개구수를 갖는 200 마이크론 직경의 광섬유에 결합될 수 있습니다. 이 장치는 Nd:YAG 또는 Nd:YVO4 레이저를 펌핑하여 약 15W의 출력을 얻는 데 사용할 수 있습니다.

다이오드 스택에서는 코어 직경이 더 큰 광섬유도 일반적으로 사용됩니다. 수백 와트(또는 심지어 수 킬로와트)의 빛이 코어 직경이 600미크론이고 개구수가 0.22인 광섬유에 결합될 수 있습니다.

파이버 커플링의 단점.

자유 공간 방사선 레이저에 비해 섬유 결합 반도체 레이저의 몇 가지 단점은 다음과 같습니다.

더 높은 비용. 빔 처리 및 전송 프로세스가 단순화되면 비용을 줄일 수 있습니다.

출력 전력은 약간 더 작고 밝기는 더 중요합니다. 밝기 손실은 사용된 광섬유 결합 기술에 따라 때로는 매우 크거나(10배 이상) 때로는 작습니다. 어떤 경우에는 이것이 중요하지 않지만 다른 경우에는 다이오드 펌프 벌크 레이저 또는 고출력 광섬유 레이저 설계와 같이 문제가 됩니다.

대부분의 경우(특히 다중 모드 광섬유) 광섬유는 분극을 유지합니다. 그러면 광섬유의 출력광은 부분적으로 편광되며, 광섬유가 움직이거나 온도가 변하면 편광 상태도 변하게 됩니다. 펌프 흡수가 편광에 따라 달라지면 다이오드 펌프 고체 레이저에 심각한 안정성 문제가 발생할 수 있습니다.