Was ist ein fasergekoppelter Diodenlaser?

FCD (Fiber Coupled Diode) bedeutet, dass das von einem Mehrfachdiodenlaser erzeugte Licht durch eine Mikrolinsenanordnung in eine Einkern-Multimodefaser eingekoppelt wird, um Licht an den Zielort zu liefern.
Fasergekoppelte (auch faserintegrierte) Diodenlaser bieten mehrere Vorteile:
Das aus der Faser austretende Licht hat ein kreisförmiges und glattes (homogenisiertes) Intensitätsprofil und eine symmetrische Strahlqualität, die in vielen Fällen sehr bequem ist. Beispielsweise sind weniger komplexe Optiken erforderlich, um einen kreisförmigen Pumppunkt für einen endgepumpten Festkörperlaser zu erzeugen.
Es wird möglich, die Laserdioden zusammen mit ihren Kühlanordnungen zu entfernen, z. von einem Festkörperlaserkopf, der dann kompakter sein kann, und an dieser Stelle bleibt mehr Platz für andere Teile.
Defekte fasergekoppelte Diodenlaser können leicht ausgetauscht werden, ohne dass die Ausrichtung der Vorrichtung, in der das Licht verwendet wird, geändert wird.
Fasergekoppelte Geräte können problemlos mit anderen Glasfaserkomponenten kombiniert werden.

Technische Merkmale der fasergekoppelten Diodenlaser-Haarentfernung

  1. Dauerwelle, hohe Leistung
  2. Gleichmäßige Energieverteilung
  3. Niedrige Schadensrate
  4. Lebensdauer bis zu 50 Millionen Aufnahmen

Warum gleichmäßige Energieverteilung?

Warum lange Lebensdauer eines fasergekoppelten Diodenlasers (FCD)

Volumenverhältnis = 1: 15

1 Der vergrößerte Kühlkanal vermeidet die Verstopfung des Mikrokanals, wodurch die Kühlung effektiv sichergestellt wird.

2 Bei einem größeren Lasergeneratorvolumen verhindert der verringerte Wärmestrom die thermische Beschädigung des Lasers.

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Arten von fasergekoppelten Diodenlasern

Viele Diodenlaser werden daher in fasergekoppelter Form verkauft, wobei eine robuste Faserkopplungsoptik (z. B. eine dauerhafte lasergeschweißte Faserbefestigung) in das Lasergehäuse eingebaut ist. Die verwendeten Fasern und Techniken unterscheiden sich für verschiedene Diodenlaser sehr stark:

Der einfachste Fall ist der eines VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), der normalerweise einen Strahl mit hoher Strahlqualität, moderater Strahldivergenz, keinem Astigmatismus und einem kreisförmigen Intensitätsprofil emittiert. Eine einfache sphärische Linse reicht aus, um den emittierenden Punkt auf den Kern einer Einmodenfaser abzubilden. Die Kopplungseffizienz kann in der Größenordnung von 70–80% liegen. Es ist auch möglich, die Faser direkt an die Abstrahlfläche des VCSEL zu koppeln.

Kleine kantenemittierende Laserdioden emittieren ebenfalls in einem einzigen räumlichen Modus, wodurch im Prinzip auch eine effiziente Ankopplung an eine Singlemode-Faser ermöglicht wird. Die Kopplungseffizienz kann jedoch durch die Elliptizität des Strahls erheblich beeinträchtigt werden, wenn eine einfache sphärische Linse verwendet wird. Auch ist die Strahldivergenz in mindestens einer Richtung relativ hoch, was eine Linse mit relativ hoher numerischer Apertur erfordert. Ein weiteres Problem ist der Astigmatismus des Diodenausgangs, insbesondere für verstärkungsgeführte Dioden; Dies kann mit einer zusätzlichen schwachen Zylinderlinse kompensiert werden. Mit Ausgangsleistungen von bis zu einigen hundert Milliwatt können fasergekoppelte, verstärkungsgeführte LDs zum Beispiel zum Pumpen von mit Erbium dotierten Faserverstärkern verwendet werden.

Laserdioden mit breiter Fläche sind räumlich in Längsrichtung des Emitters multimode. Wenn ein kreisförmiger Strahl einfach mit einer Zylinderlinse (z. B. einer Faserlinse, siehe Abbildung 3) geformt und dann in eine Multimodefaser eingeleitet wird, geht viel Helligkeit verloren, da die hohe Strahlqualität in Richtung der schnellen Achse nicht geht genutzt werden. Eine Kraft von z. 1 W kann in eine Multimode-Faser mit einem Kerndurchmesser von 50 µm und einer numerischen Apertur (NA) von 0,12 eingeführt werden. Dies ist ausreichend, z. zum Pumpen eines Bulk-Lasers mit niedriger Leistung, z. ein Mikrochip-Laser. Sogar eine Startleistung von 10 W ist möglich.

Eine verbesserte Technik für Breitflächenlaser basiert auf der Umformung des Strahls für eine symmetrisierte Strahlqualität (und nicht nur einen symmetrischen Strahlradius) vor dem Start. Das ermöglicht eine höhere Helligkeit.

Bei Diodenbarren (Diodenarrays) ist das Problem der asymmetrischen Strahlqualität noch schwerwiegender. Hier können die Ausgänge einzelner Emitter in separate Fasern eines Faserbündels gekoppelt werden. Die Fasern sind in einer linearen Anordnung auf der Seite des Diodenbalkens angeordnet, jedoch am Ausgang als kreisförmige Anordnung. Alternativ kann eine Art Strahlformer zum Symmetrisieren der Strahlqualität verwendet werden, bevor eine einzelne Multimodefaser gestartet wird. Dies kann z.B. mit einem Zwei-Spiegel-Strahlformer oder mit einigen mikrooptischen Elementen. Es ist möglich, z. 30 W in eine Faser mit 200 µm (oder sogar 100 µm) Kerndurchmesser und einer NA von 0,22 einzukoppeln. Eine solche Vorrichtung kann beispielsweise zum Pumpen eines Nd: YAG- oder Nd: YVO4-Lasers mit einer Ausgangsleistung von ungefähr 15 W verwendet werden.

Für Diodenstacks werden Fasern mit noch größeren Kerndurchmessern verwendet. Es ist möglich, z. um Hunderte von Watt (oder sogar mehrere Kilowatt) optische Leistung in eine Faser mit einem Kerndurchmesser von 600 μm und NA = 0,22 einzukoppeln.

Nachteile der Faserkopplung

Einige potentielle Nachteile von fasergekoppelten Diodenlasern im Vergleich zu freiraumemittierenden Lasern sind:

  1. Die Kosten sind höher. Dies kann jedoch durch die Einsparungen durch eine einfachere Balkenbearbeitung und -lieferung ausgeglichen werden.
  2. Die Ausgangsleistung ist etwas reduziert und vor allem die Helligkeit. Der Helligkeitsverlust kann abhängig von der Technik der Faserkopplung erheblich sein (mehr als eine Größenordnung) oder eher gering sein. In einigen Fällen spielt dies keine Rolle, in anderen Fällen führt dies jedoch zu erheblichen Herausforderungen, z. für den Entwurf eines Dioden-gepumpten Volumenlasers oder eines Hochleistungsfaserlasers.
  3. In den meisten Fällen (insbesondere bei Multimode-Fasern) ist die Faser nicht polarisationserhaltend. Der Faserausgang ist dann normalerweise teilweise polarisiert, und der Polarisationszustand kann sich ändern, wenn die Faser bewegt wird oder sich die Temperatur ändert. Dies kann zu erheblichen Stabilitätsproblemen von diodengepumpten Festkörperlasern führen, wenn die Pumpabsorption polarisationsabhängig ist (wie beispielsweise in Nd: YVO 4).