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光纤耦合二极管激光器——将产生的光耦合到光纤中的二极管激光装置

时间:2021-08-05 来源:新特光电 访问量:1020

在许多应用中,将激光二极管的输出耦合到光纤中以将光传输到需要的地方是很方便的。光纤耦合(也称为光纤集成或光纤尾纤)二极管激光器有几个优点:

  • 从光纤发出的光具有圆形、平滑(均匀化)的强度分布和对称光束质量,在许多情况下非常方便。例如,为端面泵浦固体激光器产生圆形泵浦光斑需要不太复杂的光学器件。

  • 可以将激光二极管连同其冷却装置一起拆下,例如从固态激光头上拆下,固态激光头可以更紧凑,并在此处为其他零件留出更多空间。

  • 有缺陷的光纤耦合二极管激光器可以很容易地更换,而无需改变使用光的设备的对齐方式。

  • 光纤耦合器件可以很容易地与其他光纤组件组合。

光纤耦合半导体激光器

光纤耦合半导体激光器,二极管激光器模块

光纤耦合二极管激光器的类型

许多二极管激光器以光纤耦合形式出售,在激光器封装中内置了坚固的光纤耦合光学器件(例如,永久性激光焊接光纤附件)。不同的二极管激光器使用的光纤和技术有很大不同:

最简单的情况是 VCSEL(垂直腔面发射激光器),它通常发出光束质量高、光束发散度适中、无像散和圆形强度分布的光束。一个简单的球面透镜足以用于成像的发射点到芯一个的单模光纤。耦合效率可以达到 70-80% 的数量级。也可以将光纤直接耦合(对接)到 VCSEL 的发射表面。

小型边缘发射激光二极管也以单空间模式发射,因此原则上也允许与单模光纤有效耦合。然而,如果使用简单的球面透镜,耦合效率会因光束的椭圆度而显着降低。此外,光束发散角在至少一个方向上相对较高,需要具有相对较高数值孔径的透镜。另一个问题是二极管输出的像散,特别是增益导引二极管;这可以通过额外的弱柱面透镜来补偿。输出功率高达几百毫瓦,光纤耦合增益引导 LD 可用于泵浦等掺铒光纤放大器。

光纤耦合低功率边发射激光二极管的示意图设置

简单的光纤耦合低功率边发射激光二极管的示意图设置。球面透镜(或可能是双透镜)用于将激光二极管面成像到光纤芯。光束椭圆度和像散会降低耦合效率。

广域激光二极管在发射器的长方向上是空间多模的。如果用圆柱透镜(如光纤透镜,见图3)简单地塑造圆光束,然后发射到多模光纤中,由于无法利用快轴方向的高光束质量,许多亮度(辐射度)将丢失。例如,1 W的功率可发射到芯径为50μm、数值孔径(NA)为0.12的多模光纤中。这足以泵浦低功率体激光器,例如微芯片激光器。即使发射功率为10 W也是可能的。

简单的光纤耦合广域激光二极管的示意图设置

简单的光纤耦合广域激光二极管的示意图设置。光纤透镜用于在快轴方向准直光束。

一种改进的广域激光器技术是基于在发射前对光束进行整形以获得对称光束质量(而不仅仅是对称光束半径)。这允许更高的亮度。

对于二极管条(二极管阵列),光束质量不对称的问题更加严重。这里,单个发射器的输出可以耦合到光纤束的单独光纤中。光纤在二极管条的一侧以线性阵列排列,但在输出端以圆形阵列排列。或者,在发射到单个多模光纤之前,可以使用某种光束整形器来使光束质量对称。这可以通过例如两镜光束整形器或一些微光学元件来完成。例如,可以将 30 W 耦合到纤芯直径为 200-μm(甚至 100-μm)且 NA 为 0.22 的光纤中。这种装置可用于例如泵送Nd:YAG或Nd:YVO 4激光器,输出功率约为 15 W。

对于二极管堆栈,使用芯直径更大的光纤。例如,可以将数百瓦(甚至几千瓦)的光功率耦合到纤芯直径为 600 微米且 NA = 0.22 的光纤中。

光纤耦合的缺点

与自由空间发射激光器相比,光纤耦合二极管激光器的一些潜在缺点是:

  • 成本更高。然而,这可能会被更简单的光束处理和交付所带来的节省所抵消。

  • 输出功率略有降低,更重要的是亮度(radiance)。亮度损失可能很大(超过一个数量级)或相当小,这取决于光纤耦合技术。在一些情况下,这可能不是问题,但是在其他情况下,它介绍了显著挑战例如用于设计一个的二极管泵浦 散装激光或高功率光纤激光器。

  • 在大多数情况下(尤其是多模光纤),光纤不是保偏的。光纤输出通常会被部分偏振,当光纤移动或温度变化时,偏振状态会发生变化。当泵浦吸收与偏振相关时(例如在Nd:YVO 4 中),这会导致二极管泵浦固态激光器的严重稳定性问题。

也可能无法获得每个光波长的光纤耦合激光二极管产品。

光纤输出光束质量

光纤输出的光束质量通常没有规定;在许多情况下,只有纤芯直径和数值孔径(NA) 是已知的,并且假设是阶跃折射率 多模光纤。在这种情况下,没有公式可以精确计算光束质量,因为它取决于光纤模式上的光功率分布,而这种分布本身取决于发射条件。然而,光束质量M 2因子可以粗略估计,假设功率在模式上分布良好,因此数值孔径代表了对实际光束发散角的合理估计(可能略高)。这导致等式Μ2≈(πα/λ)ΝΑ,其中a是光纤纤芯半径(即纤芯直径的一半)。如果光主要以低阶引导光纤模式发射,光束质量也可以显着提高,但可能会因光纤的强烈弯曲而降低。

Frankfurt Laser激光二极管

德国Frankfurt Laser Company(以下简称“FLC”)成立于1994年,从事于研发,生产和销售FP, DBR 和DBR激光二极管,可单独编址的SM和大面积激光二极管阵列,垂直腔面发射激光器和量子级联激光器,并将它们集成到激光二极管模块,光纤耦合,二极管泵浦固体倍频激光器和OEM模块中。其产品覆盖了266nm到12μm波长范围和5mW到750W功率范围。FLC供应波长范围从650nm到3300nm SLDs 和1.6μm 到 4μm的中红外LEDs.为了丰富产品线,FLC还提供SMT激光二极管驱动,光学准直器,光学直线发生器,半导体激光头和激光帽以及激光二极管芯片。20多年来,FLC通过国际销售网络服务于欧洲及世界各地的激光公司。Frankfurt Laser有能力为各种高要求的激光应用领域如,航天,工业和医疗方面提供支持与服务。

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