Fasergekoppelter Halbleiterlaser

Definition: Ein Diodenlaser, bei dem das erzeugte Licht in eine optische Faser eingekoppelt wird.

In vielen Fällen ist es notwendig, das Ausgangslicht eines Diodenlasers in eine optische Faser einzukoppeln, damit das Licht dorthin übertragen werden kann, wo es benötigt wird. Fasergekoppelte Halbleiterlaser haben folgende Vorteile:

1. Die Intensitätskurve des von der optischen Faser emittierten Lichts ist im Allgemeinen glatt und kreisförmig und die Strahlqualität ist symmetrisch, was bei der Anwendung sehr praktisch ist. Beispielsweise werden weniger komplexe Optiken verwendet, um kreisförmige Pumpflecke für endgepumpte Festkörperlaser zu erzeugen.

2. Wenn die Laserdiode und ihre Kühlvorrichtung vom Festkörperlaserkopf entfernt werden, wird der Laser sehr klein und es bleibt genügend Platz, um andere optische Teile zu platzieren.

3. Der Austausch ungeeigneter optisch gekoppelter Halbleiterlaser erfordert keine Änderung der Anordnung des Geräts.

4. Das optische Kopplungsgerät ist in Kombination mit anderen Glasfasergeräten einfach zu verwenden.

Fasergekoppelte Halbleiterlasertypen

Viele fertige Diodenlaser sind fasergekoppelt und enthalten eine sehr robuste fasergekoppelte Optik im Laserpaket. Verschiedene Diodenlaser verwenden unterschiedliche Fasern und Technologien.

Im einfachsten Fall strahlt ein VCSEL (Vertical Cavity Surface Radiation Laser) typischerweise einen Strahl mit sehr hoher Strahlqualität, mittlerer Strahldivergenz, keinem Astigmatismus und einer kreisförmigen Intensitätsverteilung aus. Um den Strahlungsfleck in den Kern einer Singlemode-Faser abzubilden, ist eine einfache sphärische Linse erforderlich. Die Kopplungseffizienz kann 70–80 % erreichen. Lichtwellenleiter können auch direkt in die Abstrahlfläche des VCSEL eingekoppelt werden.

Kleine kantenemittierende Laserdioden strahlen ebenfalls eine einzelne räumliche Mode ab und können daher prinzipiell effizient in Singlemode-Fasern einkoppeln. Wenn jedoch nur eine einfache sphärische Linse verwendet wird, verringert die Elliptizität des Strahls die Kopplungseffizienz erheblich. Und der Divergenzwinkel des Strahls ist in mindestens einer Richtung relativ groß, sodass die Linse eine relativ große numerische Apertur haben muss. Ein weiteres Problem ist der im Ausgangslicht der Diode, insbesondere der verstärkungsgeführten Diode, vorhandene Astigmatismus, der durch den Einsatz einer zusätzlichen Zylinderlinse kompensiert werden kann. Erreicht die Ausgangsleistung mehrere Hundert Milliwatt, können fasergekoppelte verstärkungsgeführte Laserdioden zum Pumpen von Erbium-dotierten Faserverstärkern eingesetzt werden.

Abbildung 2: Schematische Darstellung einer einfachen fasergekoppelten kantenemittierenden Laserdiode mit geringer Leistung. Die sphärische Linse dient dazu, das von der Oberfläche der Laserdiode emittierte Licht auf den Faserkern abzubilden. Strahlelliptizität und Astigmatismus verringern die Kopplungseffizienz.

Großflächige Laserdioden sind in Abstrahlrichtung räumlich multimoded. Wenn Sie den kreisförmigen Strahl einfach durch eine Zylinderlinse (z. B. eine Faserlinse, wie in Abbildung 3 dargestellt) formen und dann in die Multimode-Faser eintreten, geht der größte Teil der Helligkeit verloren, da der Strahl mit hoher Qualität in Richtung der schnellen Achse verläuft Qualität kann nicht genutzt werden. Beispielsweise kann Licht mit einer Leistung von 1 W in eine Multimode-Faser mit einem Kerndurchmesser von 50 Mikrometern und einer numerischen Apertur von 0,12 eindringen. Dieses Licht reicht aus, um einen Massenlaser mit geringer Leistung, beispielsweise einen Mikrochiplaser, zu pumpen. Sogar eine Lichtausstrahlung von 10 W ist möglich.

Abbildung 3: Schematische Darstellung einer einfachen optisch gekoppelten großflächigen Laserdiode. Faseroptische Linsen werden verwendet, um Licht in Richtung der schnellen Achse zu kollimieren.

Eine verbesserte Breitbandlasertechnologie würde darin bestehen, den Strahl vor dem Abfeuern so zu formen, dass er eine symmetrische Strahlqualität (nicht nur den Strahlradius) aufweist. Dies führt auch zu einer höheren Helligkeit.

Bei Diodenarrays ist das Problem der asymmetrischen Strahlqualität noch gravierender. Der Ausgang jedes Senders kann in eine andere Faser im Faserbündel eingekoppelt werden. Die optischen Fasern sind linear auf einer Seite des Diodenarrays angeordnet, die Ausgangsenden sind jedoch kreisförmig angeordnet. Mit einem Strahlformer kann eine symmetrische Strahlqualität erreicht werden, bevor der Strahl in eine Multimode-Faser eingeleitet wird. Dadurch können 30 W Licht in eine Faser mit 200 Mikrometer Durchmesser und einer numerischen Apertur von 0,22 eingekoppelt werden. Mit diesem Gerät können Nd:YAG- oder Nd:YVO4-Laser gepumpt werden, um eine Ausgangsleistung von ca. 15 W zu erzielen.

In Diodenstapeln werden häufig auch Fasern mit größeren Kerndurchmessern verwendet. In eine optische Faser mit einem Kerndurchmesser von 600 Mikrometern und einer numerischen Apertur von 0,22 können mehrere hundert Watt (oder sogar mehrere Kilowatt) Licht eingekoppelt werden.

Nachteile der Faserkopplung.

Zu den Nachteilen fasergekoppelter Halbleiterlaser im Vergleich zu Freiraumstrahlungslasern gehören:

höhere Kosten. Kosten können gesenkt werden, wenn die Strahlhandhabung und die Übertragungsprozesse vereinfacht werden.

Die Ausgangsleistung ist etwas geringer und vor allem die Helligkeit. Der Helligkeitsverlust ist manchmal sehr groß (mehr als eine Größenordnung) und manchmal gering, abhängig von der verwendeten Faserkopplungstechnologie. In einigen Fällen spielt dies keine Rolle, in anderen Fällen wird es jedoch zu einem Problem, beispielsweise beim Design von diodengepumpten Massenlasern oder Hochleistungsfaserlasern.

In den meisten Fällen (insbesondere bei Multimode-Fasern) ist die Faser polarisationserhaltend. Dann ist das Ausgangslicht der Faser teilweise polarisiert, und wenn die Faser bewegt wird oder sich die Temperatur ändert, ändert sich auch der Polarisationszustand. Wenn die Pumpabsorption polarisationsabhängig ist, kann dies zu erheblichen Stabilitätsproblemen bei diodengepumpten Festkörperlasern führen.