Laser a diodi accoppiati in fibra

FCD (Fibre Coupled Diode) significa che la luce generata da laser a più diodi viene accoppiata in una fibra multimodale single-core mediante una serie di micro lenti, al fine di fornire luce al punto di destinazione.
I laser a diodi accoppiati in fibra (detti anche fibra integrati) hanno diversi vantaggi:
La luce che esce dalla fibra ha un profilo di intensità circolare e uniforme (omogeneizzato) e una qualità simmetrica del fascio, che in molti casi è molto comoda. Ad esempio, sono necessarie ottiche meno sofisticate per generare un punto di pompaggio circolare per un laser a stato solido pompato alla fine.
Diventa possibile rimuovere i diodi laser insieme alle loro disposizioni di raffreddamento ad es. da una testa laser a stato solido, che può quindi essere più compatta, e più spazio è lasciato per altre parti in questo luogo.
I laser a diodi accoppiati in fibra difettosi possono essere facilmente sostituiti senza modificare l’allineamento del dispositivo in cui viene utilizzata la luce.
I dispositivi accoppiati in fibra possono essere facilmente combinati con altri componenti a fibra ottica.

1. Onda continua, alta potenza
2. Distribuzione di energia uniforme
3. Basso tasso di danno
4. Durata fino a 50 milioni di colpi

Rapporto di volume = 1: 15

1 Il canale di raffreddamento ingrandito evita il blocco di micro-canali, che assicura il raffreddamento in modo efficace.

2 Con un volume maggiore di generatore laser, il flusso di calore ridotto previene il danno termico al laser.

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Tipi di laser a diodi accoppiati in fibra

Molti laser a diodi sono quindi venduti in forma accoppiata a fibre, con ottiche di accoppiamento di fibre robuste (ad esempio, un fissatore permanente di fibra saldata al laser) incorporato nel pacchetto laser. Le fibre e le tecniche utilizzate differiscono molto per i diversi laser a diodi:

Il caso più semplice è quello di un VCSEL (laser a emissione di superficie a cavità verticale), che di solito emette un fascio con alta qualità del fascio, divergenza moderata del fascio, assenza di astigmatismo e un profilo di intensità circolare. Una semplice lente sferica è sufficiente per fotografare il punto di emissione sul nucleo di una fibra monomodale. L’efficienza di accoppiamento può essere dell’ordine del 70-80%. È anche possibile accoppiare direttamente (coppia di testa) la fibra alla superficie di emissione del VCSEL.

I diodi laser emettitori di piccole dimensioni emettono anche in una singola modalità spaziale, quindi in linea di principio consentono anche un accoppiamento efficiente con una fibra monomodale. Tuttavia, l’efficienza di accoppiamento può essere significativamente ridotta dall’elitticità del raggio, se si utilizza una lente sferica semplice. Inoltre, la divergenza del fascio è relativamente alta in almeno una direzione, richiedendo una lente con un’apertura numerica relativamente elevata. Un altro problema è l’astigmatismo dell’uscita del diodo, in particolare per i diodi a guadagno; questo può essere compensato con una lente cilindrica addizionale debole. Con potenze di uscita fino a poche centinaia di milliwatt, è possibile utilizzare LD a guida di guadagno accoppiati in fibra per, per esempio, pompare amplificatori in fibra drogati con erbio.

I diodi laser ad ampia area sono spazialmente multimodali nella direzione lunga dell’emettitore. Se un raggio circolare viene semplicemente modellato con una lente cilindrica (ad esempio una lente in fibra, vedere la Figura 3) e quindi lanciato in una fibra multimodale, gran parte della luminosità andrà persa, poiché la qualità del raggio alto nella direzione dell’asse veloce non può essere utilizzato. Una potenza di ad es. 1 W può essere lanciato in una fibra multimodale con un diametro del nucleo di 50 μm e un’apertura numerica (NA) di 0,12. Questo è sufficiente per es. per pompare un laser sfuso a bassa potenza, ad es. laser amicrochip. È possibile anche una potenza lanciata di 10 W.

Una tecnica perfezionata per i laser ad ampia area si basa sul rimodellamento del raggio per una qualità del raggio simmetrizzato (e non solo sul raggio del raggio simmetrizzato) prima del lancio. Ciò consente una maggiore luminosità.

Per le barre diodi (array di diodi), il problema della qualità del fascio asimmetrico è ancora più grave. Qui, le uscite dei singoli emettitori possono essere accoppiate in fibre separate di un fascio di fibre. Le fibre sono disposte in un array lineare sul lato della barra diodi, ma come una matrice circolare sull’estremità di uscita. In alternativa, è possibile utilizzare un tipo di beam shaper per simmetrizzare la qualità del fascio prima di lanciarlo in una singola fibra multimodale. Questo può essere fatto ad es. con un shaper a due specchi o con alcuni elementi micro-ottici. È possibile ad es. per accoppiare 30 W in una fibra con diametro del nucleo di 200 μm (o anche 100 μm) e un NA di 0,22. Un tale dispositivo può essere usato per, per esempio, pompare un laser ND: YAG o Nd: YVO4 con circa 15 W di potenza in uscita.

Per le pile di diodi vengono utilizzate fibre con diametri del nucleo ancora più grandi. È possibile ad es. per accoppiare centinaia di watt (o anche diversi kilowatt) di potenza ottica in una fibra con un diametro del nucleo di 600 μm e NA = 0,22.

Inconvenienti di accoppiamento in fibra

Alcuni potenziali svantaggi dei laser a diodi accoppiati in fibra, rispetto ai laser che emettono spazio libero, sono:

1. Il costo è più alto Ciò può essere compensato, tuttavia, dai risparmi derivanti dall’elaborazione e dalla consegna dei raggi più semplici.
2. La potenza in uscita è leggermente ridotta e, cosa più importante, la luminosità. La perdita di luminosità può essere notevole (più di un ordine di grandezza) o piuttosto piccola, a seconda della tecnica di accoppiamento della fibra. In alcuni casi, ciò potrebbe non essere importante, ma in altri casi introduce sfide significative, ad es. per la progettazione di un laser sfuso pompato a diodi o un laser a fibra ad alta potenza.
3. Nella maggior parte dei casi (in particolare con fibre multimodali), la fibra non è mantenimento della polarizzazione. L’uscita di fibra sarà quindi in genere parzialmente polarizzata e lo stato di polarizzazione può cambiare quando la fibra viene spostata o la temperatura cambia. Ciò può causare sostanziali problemi di stabilità dei laser a stato solido pompati a diodi quando l’assorbimento della pompa dipende dalla polarizzazione (come in, per esempio, Nd: YVO4).