ليزر أشباه الموصلات المقترن بالألياف

التعريف: ليزر ديود يقترن فيه الضوء المتولد بألياف بصرية.

في كثير من الحالات، من الضروري ربط الضوء الناتج من ليزر الصمام الثنائي بالألياف الضوئية بحيث يمكن نقل الضوء إلى المكان المطلوب. تتمتع أشعة الليزر شبه الموصلة بالألياف بالمزايا التالية:

1. منحنى شدة الضوء المنبعث من الألياف الضوئية يكون سلسًا ودائريًا بشكل عام، وجودة الشعاع متناظرة، وهو أمر مريح جدًا في التطبيق. على سبيل المثال، يتم استخدام بصريات أقل تعقيدًا لإنشاء نقاط ضخ دائرية لأشعة الليزر ذات الحالة الصلبة التي يتم ضخها نهائيًا.

2. إذا تمت إزالة صمام ثنائي الليزر وجهاز التبريد الخاص به من رأس الليزر ذو الحالة الصلبة، يصبح الليزر صغيرًا جدًا وهناك مساحة كافية لوضع الأجزاء البصرية الأخرى.

3. لا يتطلب استبدال أجهزة ليزر أشباه الموصلات المقترنة بصريًا غير المؤهلة تغيير ترتيب الجهاز.

4. جهاز التوصيل البصري سهل الاستخدام مع أجهزة الألياف الضوئية الأخرى.

أنواع ليزر أشباه الموصلات المقترنة بالألياف

العديد من أجهزة ليزر الصمام الثنائي النهائية مقترنة بالألياف، وتحتوي على بصريات مقترنة بالألياف قوية جدًا في حزمة الليزر. تستخدم ليزرات الصمام الثنائي المختلفة أليافًا وتقنيات مختلفة.

أبسط حالة هي أن VCSEL (ليزر إشعاع سطح التجويف العمودي) يشع عادةً شعاعًا بجودة شعاع عالية جدًا، وتباعد شعاع متوسط، ولا يوجد استجماتيزم، وتوزيع دائري للكثافة. يتطلب تصوير بقعة الإشعاع في قلب الألياف أحادية الوضع عدسة كروية بسيطة. يمكن أن تصل كفاءة الاقتران إلى 70-80%. يمكن أيضًا ربط الألياف الضوئية مباشرة بالسطح المشع لـ VCSEL.

تشع ثنائيات الليزر الصغيرة التي ينبعث منها حافة أيضًا وضعًا مكانيًا واحدًا، وبالتالي يمكنها، من حيث المبدأ، الاقتران بكفاءة في ألياف أحادية الوضع. ومع ذلك، إذا تم استخدام عدسة كروية بسيطة فقط، فإن إهليلجية الشعاع ستقلل بشكل كبير من كفاءة الاقتران. وتكون زاوية انحراف الشعاع كبيرة نسبيًا في اتجاه واحد على الأقل، لذلك تحتاج العدسة إلى فتحة عددية كبيرة نسبيًا. وهناك مشكلة أخرى وهي الاستجماتيزم الموجود في ضوء خرج الصمام الثنائي، وخاصة الصمام الثنائي الموجه بالكسب، والذي يمكن تعويضه باستخدام عدسة أسطوانية إضافية. إذا وصلت طاقة الخرج إلى عدة مئات من المللي واط، فيمكن استخدام ثنائيات الليزر الموجهة بالكسب المقترنة بالألياف لضخ مضخمات الألياف المشبعة بالإربيوم.

الشكل 2: رسم تخطيطي لصمام ثنائي ليزر بسيط منخفض الطاقة ومقترن بالألياف. تُستخدم العدسة الكروية لتصوير الضوء المنبعث من سطح صمام ثنائي الليزر على قلب الألياف. تقلل إهليلجية الشعاع والاستجماتيزم من كفاءة الاقتران.

الثنائيات الليزرية ذات المساحة الكبيرة هي متعددة الأوضاع مكانيًا في اتجاه الإشعاع. إذا قمت فقط بتشكيل الشعاع الدائري من خلال عدسة أسطوانية (على سبيل المثال، عدسة ليفية، كما هو موضح في الشكل 3) ثم أدخلت الألياف متعددة الأوضاع، فسيتم فقدان معظم السطوع لأن الشعاع عالي الجودة في اتجاه المحور السريع لا يمكن استخدام الجودة. على سبيل المثال، يمكن للضوء بقوة 1 واط أن يدخل إلى ألياف متعددة الأوضاع بقطر أساسي يبلغ 50 ميكرون وفتحة عددية تبلغ 0.12. هذا الضوء كافٍ لضخ كمية كبيرة من الليزر منخفضة الطاقة، مثل ليزر الرقائق الدقيقة. حتى أن انبعاث 10 واط من الضوء أمر ممكن.

الشكل 3: رسم تخطيطي لصمام ثنائي ليزر بسيط ذو مساحة كبيرة مقترن بصريًا. تستخدم عدسات الألياف الضوئية لتجميع الضوء في اتجاه المحور السريع.

تتمثل تقنية الليزر ذات النطاق العريض المحسنة في تشكيل الشعاع للحصول على جودة شعاع متناظرة (وليس فقط نصف قطر الشعاع) قبل إطلاقه. وهذا يؤدي أيضًا إلى سطوع أعلى.

في صفائف الصمام الثنائي، تعد مشكلة جودة الشعاع غير المتماثل أكثر خطورة. قد يقترن إخراج كل جهاز إرسال بألياف مختلفة في حزمة الألياف. يتم ترتيب الألياف الضوئية خطيًا على جانب واحد من مصفوفة الصمام الثنائي، لكن نهايات الإخراج مرتبة في مصفوفة دائرية. يمكن استخدام مشكل الشعاع لتحقيق جودة شعاع متناظرة قبل إطلاق الشعاع في ألياف متعددة الأوضاع. يسمح ذلك بدمج 30 وات من الضوء في ألياف قطرها 200 ميكرون مع فتحة رقمية تبلغ 0.22. يمكن استخدام هذا الجهاز لضخ أشعة الليزر Nd:YAG أو Nd:YVO4 للحصول على طاقة خرج تبلغ حوالي 15 واط.

في مداخن الصمام الثنائي، يتم أيضًا استخدام الألياف ذات الأقطار الأساسية الأكبر بشكل شائع. يمكن دمج عدة مئات من الواط (أو حتى عدة كيلووات) من الضوء في ألياف ضوئية يبلغ قطرها الأساسي 600 ميكرون وفتحة عددية تبلغ 0.22.

مساوئ اقتران الألياف.

تشمل بعض عيوب ليزر أشباه الموصلات المقترنة بالألياف مقارنة بالليزر الإشعاعي في الفضاء الحر ما يلي:

تكلفة أعلى. يمكن تقليل التكاليف إذا تم تبسيط عمليات معالجة الشعاع ونقله.

طاقة الخرج أصغر قليلاً والأهم من ذلك السطوع. يكون فقدان السطوع كبيرًا جدًا في بعض الأحيان (أكبر من الحجم) وأحيانًا صغيرًا، اعتمادًا على تقنية اقتران الألياف المستخدمة. في بعض الحالات، لا يهم هذا الأمر، لكنه يصبح مشكلة في حالات أخرى، كما هو الحال في تصميم أجهزة الليزر المجمعة ذات الضخ الثنائي أو أجهزة ليزر الألياف عالية الطاقة.

في معظم الحالات (خاصة الألياف متعددة الأوضاع)، يتم الحفاظ على استقطاب الألياف. ثم يتم استقطاب الضوء الناتج للألياف جزئيًا، وإذا تم نقل الألياف أو تغيرت درجة الحرارة، فستتغير حالة الاستقطاب أيضًا. إذا كان امتصاص المضخة يعتمد على الاستقطاب، فقد يؤدي ذلك إلى مشاكل استقرار كبيرة في ليزر الحالة الصلبة الذي يتم ضخه بواسطة الصمام الثنائي.