多くの用途では、レーザー ダイオードの出力を光ファイバーに結合して、必要な場所に光を届けると便利です。
利点:
ファイバーから放射される光は、丸くて滑らかな (均質化された) 強度プロファイルと対称的なビーム品質を備えており、多くの場合に非常に便利です。たとえば、エンドポンプ固体レーザーの丸いポンプスポットを生成するには、それほど複雑ではない光学系が必要です。
レーザー ダイオードは、冷却機能とともに、たとえばソリッドステート レーザー ヘッドから取り外すことができ、よりコンパクトになり、他の部品のためのスペースをより多く残すことができます。
欠陥のあるファイバー結合ダイオードレーザーは、光を使用するデバイスのアライメントを変更することなく簡単に交換できます。
ファイバー結合コンポーネントは、他のファイバーコンポーネントと簡単に組み合わせることができます。
ファイバー結合ダイオードレーザーの種類
多くのダイオード レーザーは、レーザー パッケージに堅牢なファイバー結合光学系が組み込まれたファイバー結合形式で販売されています (たとえば、恒久的なレーザー溶接ファイバーの取り付け)。さまざまなダイオード レーザーに使用されるファイバーとテクノロジーは大きく異なります。
最も単純なケースは VCSEL (垂直共振器型面発光レーザー) で、通常、高いビーム品質、適度なビーム発散、非点収差のない円形の強度分布を備えたビームを放射します。発光点をシングルモード ファイバのコアに結像するには、単純な球面レンズで十分です。 70-80%程度の結合効率を達成できます。ファイバを VCSEL の発光面に直接結合 (バットジョイント) することも可能です。
小型の端面発光レーザー ダイオードも単一空間モードで発光するため、原理的にはシングルモード ファイバーへの効率的な結合も可能になります。ただし、単純な球面レンズを使用すると、ビームの楕円率によって結合効率が大幅に低下します。さらに、ビームの発散は少なくとも 1 つの方向で比較的大きいため、比較的高い開口数を備えたレンズが必要になります。もう 1 つの問題は、特にゲインガイド型ダイオードのダイオード出力の非点収差です。これは、弱い円柱レンズを追加することで補償できます。最大数百ミリワットの出力を備えたファイバ結合ゲインガイド型 LD は、エルビウムドープファイバ増幅器などの励起に使用できます。
シンプルなファイバー結合低出力端面発光レーザー ダイオードの概略構成。球面レンズ (または場合によっては二重レンズ) を使用して、レーザー ダイオードのファセットをファイバー コアに結像します。ビームの楕円率と非点収差により、結合効率が低下します。
広域レーザー ダイオードは、エミッターの長手方向に空間的にマルチモードです。丸いビームをシリンドリカルレンズで単純に整形してマルチモードファイバーに入射すると、速軸方向の高いビーム品質を活用できないため、明るさ（放射輝度）の多くが失われます。たとえば、コア直径が 50 μm、開口数 (NA) が 0.12 のマルチモード ファイバに 1 W の電力を投入できます。これは、マイクロチップ レーザーなどの低出力バルク レーザーを励起するには十分です。 10 W の発射電力も可能です。
シンプルなファイバー結合の広域レーザー ダイオードの概略構成。ファイバーレンズは、ビームを速軸方向にコリメートするために使用されます。
改良された広域レーザー技術は、（対称的なビーム半径だけでなく）対称的なビーム品質を得るために発射前にビームを整形することに基づいています。これにより、より高い輝度が可能になります。
ダイオードバー (ダイオードアレイ) の場合、非対称ビーム品質の問題はさらに深刻です。ここで、個々のエミッタの出力は、ファイバ バンドルの個別のファイバに結合できます。ファイバーはダイオードバーの片側では線形アレイに配置されていますが、出力端では円形アレイに配置されています。あるいは、ある種のビーム整形器を使用して、単一のマルチモード ファイバーに入射する前にビーム品質を対称にすることもできます。これは、たとえば 2 ミラーのビーム整形器やマイクロ光学系を使用して行うことができます。たとえば、30 W は、コア直径が 200- μm (または 100- μm) で NA が 0.22 のファイバに結合できます。このようなセットアップは、たとえば、約 15 W の出力で Nd:YAG または Nd:YVO 4 レーザーを励起するために使用できます。
ダイオードスタックには、より大きなコア径のファイバが使用されます。たとえば、数百ワット（またはキロワット）の光出力を、コア直径が 600 μm、NA=0 のファイバに結合できます。22.
ファイバーカップリングのデメリット
自由空間発光レーザーと比較したファイバー結合ダイオードレーザーの潜在的な欠点は次のとおりです。
コストが高くなります。ただし、これは、より簡単なビームの取り扱いと照射によって得られる節約によって相殺される可能性があります。
出力パワーがわずかに低下しますが、さらに重要なことに、輝度が低下します。放射輝度損失は、ファイバー結合技術に応じて、大きくなる場合もあれば (1 桁以上)、非常に小さくなる場合もあります。これは問題にならない場合もありますが、ダイオード励起バルク レーザーや高出力ファイバー レーザーの設計など、重大な課題が生じる場合もあります。
ほとんどの場合 (特にマルチモード ファイバー)、ファイバーは偏波を保持しません。通常、ファイバー出力は部分的に偏光しており、ファイバーが移動したり温度が変化すると偏光状態が変化します。これは、ポンプ吸収が偏光に依存する場合 (Nd:YVO 4 など)、ダイオードポンプ固体レーザーの安定性に深刻な問題を引き起こす可能性があります。
ファイバー結合レーザー ダイオード製品も、すべての光波長に対応しているわけではありません。
ファイバー出力ビームの品質
ファイバー出力のビーム品質は通常は指定されていません。多くの場合、コアの直径と開口数 (NA) のみがわかっており、ステップ インデックス マルチモード ファイバが想定されます。この場合、ビーム品質はファイバーモード全体の光パワー分布に依存し、それ自体が発射条件に依存するため、ビーム品質を正確に計算する公式はありません。ただし、ビーム品質係数 M2 は、パワーが各モードに適切に分散されているため、開口数が実際のビーム発散の妥当な推定値 (わずかに高い可能性がある) を表すと仮定して、大まかに推定できます。これにより、方程式 M2 ≈ (π /λ)ΝΑ が得られます。ここで、a はファイバ コア半径 (つまり、コア直径の半分) です。光が主に低次の導波ファイバーモードで発射される場合、ビーム品質も大幅に改善されますが、ファイバーの強い曲げによって劣化する可能性があります。
弊社の住所
B-1507 瑞鼎大厦、西湖区鎮華路 200 号
電話番号
0086 181 5840 0345
電子メール
info@brandnew-china.com
