En muchas aplicaciones, es conveniente acoplar la salida de un diodo láser a una fibra óptica para entregar la luz donde se necesita.
Ventajas:
La luz emitida por la fibra tiene un perfil de intensidad redondo y suave (homogeneizado) y una calidad de haz simétrica, lo cual resulta muy conveniente en muchos casos. Por ejemplo, se requiere una óptica menos compleja para producir un punto de bombeo redondo para un láser de estado sólido de bombeo final.
El diodo láser se puede extraer junto con su refrigeración, por ejemplo, de un cabezal láser de estado sólido, que puede ser más compacto y dejar más espacio para otras piezas.
Un láser de diodo acoplado a fibra defectuoso se puede reemplazar fácilmente sin cambiar la alineación del dispositivo usando la luz.
Los componentes de fibra acoplada se pueden combinar fácilmente con otros componentes de fibra.
Tipos de láseres de diodo acoplados a fibra
Muchos láseres de diodo se venden en forma de fibra acoplada, con una robusta óptica de acoplamiento de fibra integrada en el paquete láser (por ejemplo, accesorio de fibra para soldadura láser permanente). Las fibras y tecnologías utilizadas para los diferentes láseres de diodo varían mucho:
El caso más simple es el VCSEL (láser de emisión de superficie de cavidad vertical), que normalmente emite un haz con alta calidad, divergencia moderada del haz, sin astigmatismo y con una distribución de intensidad circular. Una simple lente esférica es suficiente para visualizar el punto de emisión en el núcleo de una fibra monomodo. Se pueden lograr eficiencias de acoplamiento del orden del 70-80%. También es posible acoplar (unir a tope) la fibra directamente a la superficie emisora del VCSEL.
Los pequeños diodos láser que emiten bordes también emiten en un único modo espacial y, por lo tanto, en principio también permiten un acoplamiento eficiente con fibras monomodo. Sin embargo, si se utiliza una lente esférica simple, la eficiencia del acoplamiento se reduce significativamente debido a la elipticidad del haz. Además, la divergencia del haz es relativamente alta en al menos una dirección, lo que requiere lentes con una apertura numérica relativamente alta. Otro problema es el astigmatismo de la salida del diodo, especialmente en el caso de diodos guiados por ganancia; esto puede compensarse con lentes cilíndricas débiles adicionales. Con potencias de salida de hasta unos pocos cientos de milivatios, los LD guiados por ganancia acoplados a fibra se pueden utilizar para bombear, por ejemplo, amplificadores de fibra dopados con erbio.
Configuración esquemática de un diodo láser emisor de bordes de baja potencia acoplado a fibra simple. Se utiliza una lente esférica (o posiblemente una lente doble) para visualizar la faceta del diodo láser en el núcleo de la fibra. La elipticidad y el astigmatismo del haz reducen la eficiencia del acoplamiento.
Los diodos láser de área amplia son espacialmente multimodo en la dirección longitudinal del emisor. Si al haz redondo simplemente se le da forma con una lente cilíndrica y luego se lanza a una fibra multimodo, gran parte del brillo (resplandor) se perderá porque no se puede aprovechar la alta calidad del haz en la dirección del eje rápido. Por ejemplo, se puede lanzar 1 W de potencia a una fibra multimodo con un diámetro de núcleo de 50 μm y una apertura numérica (NA) de 0,12. Esto es suficiente para bombear láseres masivos de baja potencia, como los láseres de microchip. Incluso son posibles potencias lanzadas de 10 W.
Configuración esquemática de un diodo láser de área amplia acoplado a fibra simple. Se utiliza una lente de fibra para colimar el haz en la dirección del eje rápido.
Una tecnología láser de área amplia mejorada se basa en dar forma al haz antes del lanzamiento para obtener una calidad de haz simétrico (no solo un radio de haz simétrico). Esto permite un mayor brillo.
Para las barras de diodos (conjuntos de diodos), el problema de la calidad asimétrica del haz es aún más grave. En este caso, las salidas de los emisores individuales se pueden acoplar en fibras separadas de un haz de fibras. Las fibras están dispuestas en una disposición lineal en un lado de la barra de diodos, pero en una disposición circular en el extremo de salida. Alternativamente, se puede utilizar algún tipo de moldeador de haz para hacer que la calidad del haz sea simétrica antes de lanzarlo a una única fibra multimodo. Esto se puede hacer, por ejemplo, con un moldeador de haz de dos espejos o alguna microóptica. Por ejemplo, se pueden acoplar 30 W en una fibra con un diámetro de núcleo de 200-μm (o incluso 100-μm) y una NA de 0,22. Esta configuración se puede utilizar, por ejemplo, para bombear láseres Nd:YAG o Nd:YVO 4 con una potencia de salida de aproximadamente 15 W.
Para la pila de diodos se utilizan fibras con un diámetro de núcleo mayor. Por ejemplo, se pueden acoplar cientos de vatios (o incluso kilovatios) de potencia óptica en una fibra con un diámetro de núcleo de 600 μm y una NA=0.22.
Desventajas del acoplamiento de fibras.
Algunas posibles desventajas de los láseres de diodo acoplados a fibra en comparación con los láseres que emiten en el espacio libre son:
Mayor costo. Sin embargo, esto puede compensarse con los ahorros obtenidos al simplificar el manejo y la entrega del haz.
La potencia de salida se reduce ligeramente y, lo que es más importante, la luminosidad. La pérdida de radiación puede ser grande (más de un orden de magnitud) o bastante pequeña, dependiendo de la técnica de acoplamiento de fibras. En algunos casos esto puede no ser un problema, pero en otros presenta desafíos importantes, como el diseño de un láser masivo bombeado por diodos o un láser de fibra de alta potencia.
En la mayoría de los casos (especialmente fibras multimodo), la fibra no mantiene la polarización. La salida de la fibra normalmente estará parcialmente polarizada y el estado de polarización cambiará cuando se mueva la fibra o cuando cambie la temperatura. Esto puede conducir a serios problemas de estabilidad para los láseres de estado sólido bombeados por diodos cuando la absorción de la bomba depende de la polarización (como en Nd:YVO 4 ).
Es posible que los productos de diodos láser acoplados a fibra tampoco estén disponibles para todas las longitudes de onda óptica.
Calidad del haz de salida de fibra
La calidad del haz de la salida de fibra normalmente no se especifica; en muchos casos sólo se conocen el diámetro del núcleo y la apertura numérica (NA), y se supone una fibra multimodo de índice escalonado. En este caso, no existe una fórmula para calcular exactamente la calidad del haz, ya que depende de la distribución de potencia óptica a través de los modos de fibra, que a su vez depende de las condiciones de lanzamiento. Sin embargo, el factor de calidad del haz M2 se puede estimar de forma aproximada, suponiendo que la potencia está bien distribuida entre los modos y, por tanto, la apertura numérica representa una estimación razonable de la divergencia real del haz (que puede ser ligeramente mayor). Esto lleva a la ecuación M2≈(π /λ)ΝΑ, donde a es el radio del núcleo de la fibra (es decir, la mitad del diámetro del núcleo). La calidad del haz también se puede mejorar significativamente si la luz se lanza predominantemente en modos de fibra guiada de bajo orden, pero puede degradarse si la fibra se dobla fuertemente.
Nuestra dirección
B-1507 Mansión Ruiding, No.200 Zhenhua Rd, Distrito Xihu
Número de teléfono
0086 181 5840 0345
Correo electrónico
info@brandnew-china.com
