많은 응용 분야에서 레이저 다이오드의 출력을 광섬유에 연결하여 필요한 곳에 빛을 전달하는 것이 편리합니다.
장점:
광섬유에서 방출되는 빛은 둥글고 부드러운(균질화된) 강도 프로파일과 대칭적인 빔 품질을 가지므로 많은 경우에 매우 편리합니다. 예를 들어, 엔드 펌프 고체 레이저용 원형 펌프 스폿을 생성하려면 덜 복잡한 광학 장치가 필요합니다.
레이저 다이오드는 냉각과 함께 고체 레이저 헤드에서 제거될 수 있으며, 이는 더 컴팩트할 수 있고 여기에 다른 부품을 위한 더 많은 공간을 남겨둘 수 있습니다.
결함이 있는 광섬유 결합 다이오드 레이저는 빛을 사용하여 장치의 정렬을 변경하지 않고도 쉽게 교체할 수 있습니다.
파이버 결합 구성 요소는 다른 파이버 구성 요소와 쉽게 결합할 수 있습니다.
광섬유 결합 다이오드 레이저의 유형
많은 다이오드 레이저는 레이저 패키지에 견고한 광섬유 결합 광학 장치(예: 영구 레이저 용접 광섬유 부착 장치)가 내장된 광섬유 결합 형태로 판매됩니다. 다양한 다이오드 레이저에 사용되는 섬유와 기술은 매우 다양합니다.
가장 간단한 사례는 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)로, 일반적으로 높은 빔 품질, 적당한 빔 발산, 난시 없음 및 원형 강도 분포를 갖는 빔을 방출합니다. 단일 모드 광섬유의 코어에 방출 지점을 이미징하는 데는 간단한 구면 렌즈로 충분합니다. 70-80% 정도의 결합 효율을 달성할 수 있습니다. VCSEL의 방출 표면에 섬유를 직접 연결(맞대기 결합)하는 것도 가능합니다.
소형 에지 방출 레이저 다이오드도 단일 공간 모드로 방출하므로 원칙적으로 단일 모드 광섬유에 효율적으로 결합할 수 있습니다. 그러나 단순한 구면 렌즈를 사용하면 빔의 타원율로 인해 결합 효율이 크게 감소합니다. 게다가, 빔 발산은 적어도 한 방향에서 상대적으로 높기 때문에 상대적으로 높은 개구수를 가진 렌즈가 필요합니다. 또 다른 문제는 특히 이득 유도 다이오드의 경우 다이오드 출력의 난시입니다. 이는 약한 원통형 렌즈를 추가하여 보완할 수 있습니다. 최대 수백 밀리와트의 출력 전력을 갖춘 광섬유 결합 이득 유도 LD는 예를 들어 에르븀 첨가 광섬유 증폭기를 펌핑하는 데 사용할 수 있습니다.
간단한 광섬유 결합 저전력 에지 방출 레이저 다이오드의 개략도. 구형 렌즈(또는 이중 렌즈)는 레이저 다이오드 면을 광섬유 코어에 이미지화하는 데 사용됩니다. 빔의 타원율과 비점수차는 결합 효율을 감소시킵니다.
광역 레이저 다이오드는 방출기의 긴 방향에서 공간적으로 다중 모드입니다. 원형 빔을 원통형 렌즈로 간단히 형상화한 다음 다중 모드 광섬유로 발사하면 빠른 축 방향의 높은 빔 품질을 활용할 수 없기 때문에 밝기(휘도)의 대부분이 손실됩니다. 예를 들어, 코어 직경이 50 μm이고 개구수(NA)가 0.12인 다중 모드 광섬유에 1W의 전력을 공급할 수 있습니다. 이는 마이크로칩 레이저와 같은 저전력 벌크 레이저를 펌핑하는 데 충분합니다. 10W의 발사 전력도 가능합니다.
간단한 광섬유 결합 광역 레이저 다이오드의 도식적 설정. 파이버 렌즈는 빠른 축 방향으로 빔을 시준하는 데 사용됩니다.
개선된 광역 레이저 기술은 대칭형 빔 품질(단지 대칭형 빔 반경이 아님)을 얻기 위해 발사 전에 빔을 형성하는 것을 기반으로 합니다. 이를 통해 더 높은 밝기를 얻을 수 있습니다.
다이오드 바(다이오드 어레이)의 경우 비대칭 빔 품질 문제는 더욱 심각합니다. 여기서 개별 이미터의 출력은 섬유 다발의 개별 섬유에 결합될 수 있습니다. 광섬유는 다이오드 바의 한쪽 면에는 선형 배열로 배열되어 있지만 출력단에서는 원형 배열로 배열되어 있습니다. 또는 단일 다중 모드 광섬유로 시작하기 전에 일종의 빔 셰이퍼를 사용하여 빔 품질을 대칭으로 만들 수 있습니다. 예를 들어, 이는 2개의 거울 빔 형성기 또는 일부 미세 광학 장치를 사용하여 수행할 수 있습니다. 예를 들어, 30 W는 코어 직경이 200-μm(또는 심지어 100-μm)이고 NA가 0.22인 광섬유에 결합될 수 있습니다. 이러한 설정은 예를 들어 약 15W의 출력 전력으로 Nd:YAG 또는 Nd:YVO 4 레이저를 펌핑하는 데 사용할 수 있습니다.
다이오드 스택의 경우 코어 직경이 더 큰 광섬유가 사용됩니다. 예를 들어, 수백 와트(또는 킬로와트)의 광 출력을 코어 직경이 600μm이고 NA=0.22인 광섬유에 결합할 수 있습니다.
섬유 커플 링의 단점
자유 공간 방출 레이저에 비해 파이버 결합 다이오드 레이저의 몇 가지 잠재적인 단점은 다음과 같습니다.
더 높은 비용. 그러나 이는 보다 간단한 빔 처리 및 전달을 통해 얻은 비용 절감으로 상쇄될 수 있습니다.
출력 전력이 약간 감소하고 더 중요한 것은 광도입니다. 광도 손실은 광섬유 결합 기술에 따라 크거나(10배 이상) 매우 작을 수 있습니다. 어떤 경우에는 이것이 문제가 되지 않을 수도 있지만 다른 경우에는 다이오드 펌프 벌크 레이저 또는 고출력 광섬유 레이저 설계와 같은 중요한 과제가 발생합니다.
대부분의 경우(특히 다중 모드 광섬유) 광섬유는 편파를 유지하지 않습니다. 광섬유 출력은 일반적으로 부분적으로 분극되며, 광섬유가 이동하거나 온도가 변하면 분극 상태가 변경됩니다. 이는 펌프 흡수가 편광에 따라 달라지는 경우(예: Nd:YVO 4 ) 다이오드 펌프 고체 레이저에 심각한 안정성 문제를 초래할 수 있습니다.
파이버 결합 레이저 다이오드 제품은 모든 광학 파장에 사용 가능하지 않을 수도 있습니다.
파이버 출력 빔 품질
광섬유 출력의 빔 품질은 일반적으로 지정되지 않습니다. 대부분의 경우 코어 직경과 NA(개구수)만 알려져 있으며 단계 지수 다중 모드 광섬유가 가정됩니다. 이 경우 빔 품질은 발사 조건에 따라 달라지는 광섬유 모드에 대한 광 출력 분포에 따라 달라지므로 빔 품질을 정확하게 계산하는 공식은 없습니다. 그러나 빔 품질 계수 M2는 전력이 모드에 걸쳐 잘 분산되어 있으므로 개구수가 실제 빔 발산(약간 더 높을 수 있음)에 대한 합리적인 추정치를 나타낸다고 가정하면 대략적으로 추정할 수 있습니다. 이는 방정식 M2≒(π/λ)ΝΑ로 이어지며, 여기서 a는 섬유 코어 반경(즉, 코어 직경의 절반)입니다. 빛이 저차 유도 광섬유 모드에서 주로 발사되면 빔 품질도 크게 향상될 수 있지만 광섬유가 심하게 구부러지면 품질이 저하될 수 있습니다.
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