Fiber bağlı yarı iletken lazer

Tanım: Üretilen ışığın bir optik fibere bağlandığı bir diyot lazeri.

Çoğu durumda, ışığın ihtiyaç duyulan yere iletilebilmesi için, bir diyot lazerden çıkan ışığın bir optik fibere bağlanması gerekir. Fiber bağlantılı yarı iletken lazerler aşağıdaki avantajlara sahiptir:

1. Optik fiberden yayılan ışığın yoğunluk eğrisi genellikle düzgün ve daireseldir ve ışın kalitesi simetriktir, bu da uygulamada çok uygundur. Örneğin, uçtan pompalanan katı hal lazerleri için dairesel pompa noktaları oluşturmak amacıyla daha az karmaşık optikler kullanılır.

2. Lazer diyot ve soğutma cihazı katı hal lazer kafasından çıkarılırsa lazer çok küçülür ve diğer optik parçaları yerleştirmek için yeterli alan oluşur.

3. Niteliksiz optik olarak bağlanmış yarı iletken lazerlerin değiştirilmesi, cihazın düzeninin değiştirilmesini gerektirmez.

4. Optik bağlantı cihazının diğer fiber optik cihazlarla birlikte kullanımı kolaydır.

Fiber Bağlantılı Yarı İletken Lazer Çeşitleri

Bitmiş diyot lazerlerin çoğu fiber bağlantılıdır ve lazer paketinde çok sağlam fiber bağlantılı optikler içerir. Farklı diyot lazerler farklı fiberler ve teknolojiler kullanır.

En basit durum, bir VCSEL'in (Dikey Boşluklu Yüzey Radyasyon Lazeri) tipik olarak çok yüksek ışın kalitesine sahip, orta ışın sapması olan, astigmatizma olmayan ve dairesel yoğunluk dağılımına sahip bir ışın yaymasıdır. Radyasyon noktasını tek modlu bir fiberin çekirdeğine doğru görüntülemek, basit bir küresel mercek gerektirir. Bağlantı verimliliği %70-80'e ulaşabilir. Optik fiberler ayrıca doğrudan VCSEL'in yayılan yüzeyine de bağlanabilir.

Küçük kenar yayan lazer diyotları da tek bir uzamsal mod yayar ve bu nedenle prensip olarak tek modlu fiberlere verimli bir şekilde bağlanabilir. Bununla birlikte, yalnızca basit bir küresel mercek kullanılırsa ışının eliptikliği, birleştirme verimliliğini büyük ölçüde azaltacaktır. Ve ışının sapma açısı en az bir yönde nispeten büyüktür, dolayısıyla merceğin nispeten büyük bir sayısal açıklığa sahip olması gerekir. Diğer bir sorun ise diyotun, özellikle de kazanç yönlendirmeli diyotun çıkış ışığında mevcut olan ve ek bir silindirik mercek kullanılarak telafi edilebilen astigmatizmadır. Çıkış gücü birkaç yüz miliwatt'a ulaşırsa, erbiyum katkılı fiber amplifikatörleri pompalamak için fiber bağlantılı kazanç kılavuzlu lazer diyotlar kullanılabilir.

Şekil 2: Basit bir düşük güçlü fiber bağlantılı kenar yayan lazer diyotunun şeması. Küresel mercek, lazer diyotun yüzeyinden yayılan ışığın fiber çekirdeğe görüntülenmesi için kullanılır. Işın eliptikliği ve astigmatizma bağlantı verimliliğini azaltır.

Geniş alanlı lazer diyotları radyasyon yönünde uzaysal olarak çok modludur. Dairesel ışını silindirik bir mercek (örneğin, Şekil 3'te gösterildiği gibi bir fiber mercek) aracılığıyla şekillendirirseniz ve ardından çok modlu fibere girerseniz, yüksek kaliteli ışın hızlı eksen yönünde olduğundan parlaklığın çoğu kaybolacaktır. Kalite kullanılamaz. Örneğin, 1W gücündeki ışık, çekirdek çapı 50 mikron ve sayısal açıklığı 0,12 olan çok modlu bir fibere girebilir. Bu ışık, mikroçip lazer gibi düşük güçlü bir toplu lazeri pompalamak için yeterlidir. 10W ışık yaymak bile mümkündür.

Şekil 3: Optik olarak bağlanmış basit bir geniş alanlı lazer diyotun şeması. Fiber optik lensler ışığı hızlı eksen yönünde yönlendirmek için kullanılır.

Geliştirilmiş bir geniş bant lazer teknolojisi, ışını ateşlemeden önce simetrik bir ışın kalitesine (sadece ışın yarıçapına değil) sahip olacak şekilde şekillendirmek olacaktır. Bu aynı zamanda daha yüksek parlaklıkla sonuçlanır.

Diyot dizilerinde asimetrik ışın kalitesi sorunu daha da ciddidir. Her vericinin çıkışı, fiber demetindeki farklı bir fibere bağlanabilir. Optik fiberler diyot dizisinin bir tarafında doğrusal olarak düzenlenmiştir, ancak çıkış uçları dairesel bir dizide düzenlenmiştir. Işını çok modlu bir fibere göndermeden önce simetrik ışın kalitesi elde etmek için bir ışın şekillendirici kullanılabilir. Bu, 30W'lık ışığın, 0,22 sayısal açıklığa sahip 200 mikron çaplı bir fibere bağlanmasına olanak tanır. Bu cihaz, yaklaşık 15W çıkış gücü elde etmek için Nd:YAG veya Nd:YVO4 lazerleri pompalamak için kullanılabilir.

Diyot yığınlarında daha büyük çekirdek çapına sahip fiberler de yaygın olarak kullanılır. Birkaç yüz watt'lık (hatta birkaç kilowatt'lık) ışık, çekirdek çapı 600 mikron ve sayısal açıklığı 0,22 olan bir optik fibere bağlanabilir.

Fiber Bağlantının Dezavantajları.

Serbest uzay radyasyon lazerleriyle karşılaştırıldığında fiber bağlantılı yarı iletken lazerlerin bazı dezavantajları şunlardır:

daha yüksek maliyet. Kiriş taşıma ve iletim süreçleri basitleştirilirse maliyetler azaltılabilir.

Çıkış gücü biraz daha küçüktür ve daha da önemlisi parlaklıktır. Parlaklık kaybı, kullanılan fiber birleştirme teknolojisine bağlı olarak bazen çok büyük (büyüklük düzeyinden daha büyük) ve bazen de küçüktür. Bazı durumlarda bu önemli değildir ancak diğer durumlarda, örneğin diyot pompalı toplu lazerlerin veya yüksek güçlü fiber lazerlerin tasarımında sorun haline gelir.

Çoğu durumda (özellikle çok modlu fiber), fiber polarizasyonu korur. Daha sonra fiberin çıkış ışığı kısmen polarize olur ve fiber hareket ettirilirse veya sıcaklık değişirse polarizasyon durumu da değişecektir. Pompa emilimi polarizasyona bağlıysa, bu durum diyot pompalı katı hal lazerlerde önemli stabilite sorunları yaratabilir.