Láser semiconductor acoplado a fibra

Definición: Láser de diodo en el que la luz generada se acopla a una fibra óptica.

En muchos casos, es necesario acoplar la luz de salida de un láser de diodo a una fibra óptica para que la luz pueda transmitirse a donde se necesita. Los láseres semiconductores de fibra acoplada tienen las siguientes ventajas:

1. La curva de intensidad de la luz emitida por la fibra óptica es generalmente suave y circular, y la calidad del haz es simétrica, lo cual es muy conveniente en su aplicación. Por ejemplo, se utilizan ópticas menos complejas para generar puntos de bombeo circulares para láseres de estado sólido de bombeo final.

2. Si se retiran el diodo láser y su dispositivo de enfriamiento del cabezal láser de estado sólido, el láser se vuelve muy pequeño y hay suficiente espacio para colocar otras piezas ópticas.

3. Reemplazar láseres semiconductores acoplados ópticamente no calificados no requiere cambiar la disposición del dispositivo.

4. El dispositivo de acoplamiento óptico es fácil de usar en combinación con otros dispositivos de fibra óptica.

Tipos de láseres semiconductores acoplados a fibra

Muchos láseres de diodo terminados están acoplados a fibra y contienen una óptica acoplada a fibra muy robusta en el paquete del láser. Los diferentes láseres de diodo utilizan diferentes fibras y tecnologías.

El caso más simple es que un VCSEL (láser de radiación de superficie de cavidad vertical) normalmente irradia un haz con una calidad de haz muy alta, divergencia de haz media, sin astigmatismo y una distribución de intensidad circular. Para obtener imágenes del punto de radiación en el núcleo de una fibra monomodo se requiere una lente esférica simple. La eficiencia del acoplamiento puede alcanzar el 70-80%. Las fibras ópticas también se pueden acoplar directamente a la superficie radiante del VCSEL.

Los pequeños diodos láser que emiten bordes también irradian un modo espacial único y, por lo tanto, pueden, en principio, acoplarse eficientemente en fibras monomodo. Sin embargo, si sólo se utiliza una lente esférica simple, la elipticidad del haz reducirá en gran medida la eficiencia del acoplamiento. Y el ángulo de divergencia del haz es relativamente grande en al menos una dirección, por lo que la lente debe tener una apertura numérica relativamente grande. Otro problema es el astigmatismo presente en la luz de salida del diodo, especialmente del diodo guiado por ganancia, que puede compensarse utilizando una lente cilíndrica adicional. Si la potencia de salida alcanza varios cientos de milivatios, se pueden utilizar diodos láser guiados por ganancia acoplados a fibra para bombear amplificadores de fibra dopados con erbio.

Figura 2: Esquema de un diodo láser emisor de bordes acoplado a fibra de baja potencia simple. La lente esférica se utiliza para representar la luz emitida desde la superficie del diodo láser hacia el núcleo de la fibra. La elipticidad y el astigmatismo del haz reducen la eficiencia del acoplamiento.

Los diodos láser de gran superficie son espacialmente multimodo en la dirección de la radiación. Si simplemente da forma al haz circular a través de una lente cilíndrica (por ejemplo, una lente de fibra, como se muestra en la Figura 3) y luego ingresa la fibra multimodo, la mayor parte del brillo se perderá porque el haz de alta calidad en la dirección del eje rápido No se puede utilizar la calidad. Por ejemplo, una luz con una potencia de 1W puede entrar en una fibra multimodo con un diámetro de núcleo de 50 micrones y una apertura numérica de 0,12. Esta luz es suficiente para bombear un láser masivo de baja potencia, como un láser de microchip. Incluso es posible emitir 10W de luz.

Figura 3: Esquema de un diodo láser de gran superficie acoplado ópticamente simple. Las lentes de fibra óptica se utilizan para colimar la luz en la dirección del eje rápido.

Una tecnología láser de banda ancha mejorada sería darle forma al haz para que tenga una calidad de haz simétrico (no solo el radio del haz) antes de dispararlo. Esto también da como resultado un mayor brillo.

En los conjuntos de diodos, el problema de la calidad asimétrica del haz es aún más grave. La salida de cada transmisor puede acoplarse a una fibra diferente en el haz de fibras. Las fibras ópticas están dispuestas linealmente en un lado del conjunto de diodos, pero los extremos de salida están dispuestos en un conjunto circular. Se puede utilizar un moldeador de haz para lograr una calidad de haz simétrica antes de lanzar el haz a una fibra multimodo. Esto permite acoplar 30W de luz en una fibra de 200 micras de diámetro con una apertura numérica de 0,22. Este dispositivo se puede utilizar para bombear láseres Nd:YAG o Nd:YVO4 para obtener una potencia de salida de aproximadamente 15W.

En las pilas de diodos, también se utilizan habitualmente fibras con diámetros de núcleo más grandes. Se pueden acoplar varios cientos de vatios (o incluso varios kilovatios) de luz en una fibra óptica con un diámetro de núcleo de 600 micrones y una apertura numérica de 0,22.

Desventajas del acoplamiento de fibra.

Algunas desventajas de los láseres semiconductores acoplados a fibra en comparación con los láseres de radiación en el espacio libre incluyen:

mayor costo. Los costos se pueden reducir si se simplifican los procesos de manejo y transmisión del haz.

La potencia de salida es ligeramente menor y lo más importante es el brillo. La pérdida de brillo es a veces muy grande (superior a un orden de magnitud) y a veces pequeña, dependiendo de la tecnología de acoplamiento de fibra utilizada. En algunos casos esto no importa, pero en otros se convierte en un problema, como en el diseño de láseres masivos bombeados por diodos o láseres de fibra de alta potencia.

En la mayoría de los casos (especialmente la fibra multimodo), la fibra mantiene la polarización. Luego, la luz de salida de la fibra se polariza parcialmente y, si la fibra se mueve o la temperatura cambia, el estado de polarización también cambiará. Si la absorción de la bomba depende de la polarización, esto puede crear importantes problemas de estabilidad en los láseres de estado sólido bombeados por diodos.