光纤耦合半导体激光器

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定义:是一种二极管激光器,其中产生的光耦合进一根光纤中。

很多情况下,需要将二极管激光器中输出光耦合进光纤中从而能够将光传输到需要的地方。光纤耦合的半导体激光器具有以下优势:

  1. 光纤中出射光的强度曲线一般为平滑的圆形,并且光束质量是对称的,这在应用时非常便利。例如,采用不太复杂的光学装置产生圆形的泵浦斑点用于端泵浦固态激光器
  2. 如果将激光二极管和其冷却装置从固态激光头中移除,那么激光器变得很小,就有足够的空间来放置其它的光学部分。
  3. 调换不合格的光学耦合半导体激光器不需要改变装置的排列。
  4. 光学耦合装置很容易与其它光纤光学器件结合一起使用。

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图1:光纤耦合半导体激光器照片,采用了不同的光纤光缆


光纤耦合半导体激光器类型

很多二极管激光器成品都是光纤耦合的形式,在激光器封装中包含很坚固的光纤耦合光学部件。不同的二极管激光器采用的光纤和技术是不同的。

最简单的情况是VCSEL(垂直腔面辐射激光器)通常辐射的光束具有很高的光束质量,中等光束发散角,无像散以及圆形强度分布。将辐射斑点成像到单模光纤纤芯中只需采用一个简单的球形透镜。耦合效率可以达到70-80%。也可以直接将光纤耦合进VCSEL的辐射表面。

小的边发射激光二极管也会辐射单个空间模式,因此从原理上说可以有效耦合进单模光纤中。但是,如果只采用一个简单的球形透镜,光束的椭圆度会极大的降低耦合效率。并且光束发散角至少在一个方向相对较大,因此需要透镜具有相对比较大的数值孔径。另一个问题就是二极管输出光存在的像散,尤其是增益导引的二极管,可以采用一个附加的圆柱透镜进行补偿。如果输出功率到达几百毫瓦,光纤耦合增益导引的激光二极管可以用来泵浦掺铒光纤放大器

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图2:一个简单的低功率光纤耦合边发射激光二极管的示意图。球形透镜是用来将激光二极管表面发射的光成像于光纤纤芯。光束椭圆度和像散会降低耦合效率。

大面积激光二极管在辐射的方向上是空间多模式的。如果只是将圆形光束经过圆柱透镜后整形(例如,一个光纤透镜,如图3所示)后在进入多模光纤中,那么会损失大部分的亮度,因为在快轴方向上高质量的光束质量不能使用。例如功率为1W的光可以进入纤芯直径为50微米且数值孔径为0.12的多模光纤中。该光足够泵浦一个低功率体激光器,例如,微片激光器。即使发射10W的光也是可能的。

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图3:一个简单的光学耦合大面积激光二极管的示意图。光纤透镜是用来将光准直在快轴方向。

一种改进的宽带激光器技术是将在将其发射前把光束整形成具有对称的光束质量(并不仅仅光束半径是对称的)。这样也可以得到更高的亮度

二极管阵列中,非对称光束质量问题更加严重。其中,各个发射器的输出可能耦合进光纤束中的不同的光纤中。光纤是线性排列在二极管阵列一侧,但是输出端排列成圆形阵列。可以在将光束发射进一个多模光纤之前采用光束整形器得到对称光束质量的光束。这样可以将30W的光耦合进200 微米直径,数值孔径为0.22的光纤中。这一装置可用来泵浦Nd:YAG或者Nd:YVO4激光器,得到约15W的输出功率。

二极管叠层中,也通常采用具有较大纤芯直径的光纤。可以将几百瓦(甚至几千瓦)的光耦合进纤芯直径为600微米,数值孔径为0.22的光纤中。


光纤耦合的缺点

与自由空间辐射激光器相比,光纤耦合半导体激光器的一些缺点包括:

  • 成本较高。如果简化光束处理和传输过程可以降低成本。
  • 输出功率稍小,更重要的是亮度。亮度的损耗有时非常大(大于一个量级)有时比较小,取决于采用的光纤耦合技术。有些情况下,这无关紧要,但有些情况下则会出现问题,例如二极管泵浦体激光器或者高功率光纤激光器设计中。
  • 大多数情况下(尤其是多模光纤),光纤都是偏振保持的。那么光纤的输出光是部分偏振的,并且若移动光纤或者温度改变时,偏振状态也会发生改变。如果泵浦吸收是与偏振有关的,那么这会在二极管泵浦的固体激光器中产生很大的稳定性问题。


光纤输出的光束质量

光纤输出的光束质量通常不能明确表征,很多情况下,只知道光纤纤芯直径和数值孔径,并且假设采用的是阶跃折射率多模光纤。这种情况下没有具体的公式计算光束质量,因为它还与光强在光纤模式中的分布有关,并且分布本身还与发射条件有关。然而可以粗略估计光束质量M2因子,假设光强在各模式中分布是一定的,因此根据数值孔径可以合理估计实际的光束发散角。可以得到方程:

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其中a是光纤纤芯半径。


参阅:激光二极管光纤光束质量亮度激光辐射偏振