In vielen Anwendungen ist es praktisch, den Ausgang einer Laserdiode in eine optische Faser zu koppeln, um das Licht dorthin zu bringen, wo es benötigt wird.
Vorteile:
Das von der Faser emittierte Licht hat ein rundes, glattes (homogenisiertes) Intensitätsprofil und eine symmetrische Strahlqualität, was in vielen Fällen sehr praktisch ist. Um beispielsweise einen runden Pumpfleck für einen endgepumpten Festkörperlaser zu erzeugen, ist eine weniger komplexe Optik erforderlich.
Die Laserdiode kann samt Kühlung beispielsweise aus einem Festkörperlaserkopf entnommen werden, der kompakter sein kann und hier mehr Platz für andere Teile lässt.
Ein defekter fasergekoppelter Diodenlaser kann problemlos ausgetauscht werden, ohne dass sich die Ausrichtung des das Licht nutzenden Geräts ändert.
Fasergekoppelte Komponenten können problemlos mit anderen Faserkomponenten kombiniert werden.
Arten von fasergekoppelten Diodenlasern
Viele Diodenlaser werden in fasergekoppelter Form verkauft, wobei robuste Faserkopplungsoptiken in das Laserpaket integriert sind (z. B. dauerhafte Laserschweißfaserbefestigung). Die für verschiedene Diodenlaser verwendeten Fasern und Technologien variieren stark:
Der einfachste Fall ist der VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), der typischerweise einen Strahl mit hoher Strahlqualität, mäßiger Strahldivergenz, keinem Astigmatismus und einer kreisförmigen Intensitätsverteilung emittiert. Um den Emissionspunkt in den Kern einer Singlemode-Faser abzubilden, reicht eine einfache sphärische Linse aus. Es können Kopplungseffizienzen in der Größenordnung von 70-80 % erreicht werden. Es ist auch möglich, die Faser direkt an die emittierende Oberfläche des VCSEL zu koppeln (stumpf zu verbinden).
Kleine kantenemittierende Laserdioden emittieren ebenfalls in einem einzigen räumlichen Modus und ermöglichen somit grundsätzlich auch eine effiziente Ankopplung an Singlemode-Fasern. Wenn jedoch eine einfache sphärische Linse verwendet wird, wird die Kopplungseffizienz durch die Elliptizität des Strahls erheblich verringert. Darüber hinaus ist die Strahldivergenz in mindestens einer Richtung relativ hoch, was Linsen mit relativ hoher numerischer Apertur erfordert. Ein weiteres Problem ist der Astigmatismus des Diodenausgangs, insbesondere bei verstärkungsgeführten Dioden; Dies kann durch zusätzliche schwache Zylinderlinsen ausgeglichen werden. Mit Ausgangsleistungen bis zu einigen hundert Milliwatt können fasergekoppelte, verstärkungsgeführte LDs beispielsweise zum Pumpen von Erbium-dotierten Faserverstärkern verwendet werden.
Schematischer Aufbau einer einfachen fasergekoppelten kantenemittierenden Laserdiode mit geringer Leistung. Eine sphärische Linse (oder möglicherweise eine Doppellinse) wird verwendet, um die Facette der Laserdiode in den Faserkern abzubilden. Strahlelliptizität und Astigmatismus verringern die Kopplungseffizienz.
Weitflächige Laserdioden sind in Längsrichtung des Emitters räumlich multimode. Wenn der runde Strahl einfach mit einer Zylinderlinse geformt und dann in eine Multimode-Faser eingekoppelt wird, geht ein Großteil der Helligkeit (Strahlungsdichte) verloren, da die hohe Strahlqualität in der Fast-Axis-Richtung nicht ausgenutzt werden kann. Beispielsweise kann 1 W Leistung in eine Multimode-Faser mit einem Kerndurchmesser von 5 0 μm und einer numerischen Apertur (NA) von 0,12 eingekoppelt werden. Dies reicht aus, um Massenlaser mit geringer Leistung, beispielsweise Mikrochiplaser, zu pumpen. Sogar Startleistungen von 10 W sind möglich.
Schematischer Aufbau einer einfachen fasergekoppelten Großflächenlaserdiode. Eine Faserlinse wird verwendet, um den Strahl in Richtung der schnellen Achse zu kollimieren.
Eine verbesserte großflächige Lasertechnologie basiert auf der Formung des Strahls vor dem Start, um eine symmetrische Strahlqualität (nicht nur einen symmetrischen Strahlradius) zu erhalten. Dies ermöglicht eine höhere Helligkeit.
Bei Diodenbarren (Diodenarrays) ist das Problem der asymmetrischen Strahlqualität noch gravierender. Dabei können die Ausgänge der einzelnen Emitter in separate Fasern eines Faserbündels eingekoppelt werden. Die Fasern sind auf einer Seite des Diodenbarrens in einer linearen Anordnung angeordnet, am Ausgangsende jedoch in einer kreisförmigen Anordnung. Alternativ kann eine Art Strahlformer verwendet werden, um die Strahlqualität vor dem Einleiten in eine einzelne Multimode-Faser symmetrisch zu machen. Dies kann beispielsweise mit einem Zweispiegel-Strahlformer oder einigen Mikrooptiken erfolgen. Beispielsweise können 30 W in eine Faser mit einem Kerndurchmesser von 200-μm (oder sogar 100-μm) und einer NA von 0,22 eingekoppelt werden. Mit einem solchen Aufbau können beispielsweise Nd:YAG- oder Nd:YVO 4 -Laser mit einer Ausgangsleistung von etwa 15 W gepumpt werden.
Für den Diodenstapel werden Fasern mit größerem Kerndurchmesser verwendet. Beispielsweise können Hunderte Watt (oder sogar Kilowatt) optischer Leistung in eine Faser mit einem Kerndurchmesser von 600 μm und einer NA=0.22 eingekoppelt werden.
Nachteile der Faserkopplung
Einige mögliche Nachteile fasergekoppelter Diodenlaser im Vergleich zu freiraumemittierenden Lasern sind:
Höhere Kosten. Dies kann jedoch durch die Einsparungen ausgeglichen werden, die durch eine einfachere Handhabung und Lieferung der Träger erzielt werden.
Die Ausgangsleistung wird leicht reduziert, und noch wichtiger: die Strahlkraft. Der Strahlungsverlust kann je nach Faserkopplungstechnik groß (mehr als eine Größenordnung) oder recht klein sein. In einigen Fällen stellt dies möglicherweise kein Problem dar, in anderen stellt es jedoch erhebliche Herausforderungen dar, beispielsweise bei der Entwicklung eines diodengepumpten Massenlasers oder eines Hochleistungsfaserlasers.
In den meisten Fällen (insbesondere bei Multimode-Fasern) ist die Faser nicht polarisationserhaltend. Der Faserausgang ist typischerweise teilweise polarisiert und der Polarisationszustand ändert sich, wenn die Faser bewegt wird oder wenn sich die Temperatur ändert. Dies kann bei diodengepumpten Festkörperlasern zu ernsthaften Stabilitätsproblemen führen, wenn die Pumpabsorption polarisationsabhängig ist (wie z. B. bei Nd:YVO 4 ).
Auch fasergekoppelte Laserdiodenprodukte sind möglicherweise nicht für jede optische Wellenlänge verfügbar.
Qualität des Faserausgangsstrahls
Die Strahlqualität des Faserausgangs wird in der Regel nicht spezifiziert; In vielen Fällen sind nur der Kerndurchmesser und die numerische Apertur (NA) bekannt und es wird von einer Stufenindex-Multimode-Faser ausgegangen. In diesem Fall gibt es keine Formel zur genauen Berechnung der Strahlqualität, da diese von der optischen Leistungsverteilung über die Fasermoden abhängt, die wiederum von den Einkoppelbedingungen abhängt. Der Strahlqualitätsfaktor M2 kann jedoch grob geschätzt werden, vorausgesetzt, dass die Leistung gut über die Moden verteilt ist und die numerische Apertur daher eine vernünftige Schätzung der tatsächlichen Strahldivergenz darstellt (die etwas höher sein kann). Dies führt zu der Gleichung M2≈(π /λ)ΝΑ, wobei a der Faserkernradius (dh der halbe Kerndurchmesser) ist. Die Strahlqualität kann auch erheblich verbessert werden, wenn das Licht überwiegend in geführten Fasermoden niedriger Ordnung eingekoppelt wird, sie kann jedoch durch starke Biegung der Faser beeinträchtigt werden.
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