फाइबर युग्मित अर्धचालक लेजर

परिभाषा: एक डायोड लेजर जिसमें उत्पन्न प्रकाश को एक ऑप्टिकल फाइबर में जोड़ा जाता है।

कई मामलों में, डायोड लेजर से आउटपुट लाइट को ऑप्टिकल फाइबर में जोड़ना आवश्यक होता है ताकि प्रकाश को वहां प्रसारित किया जा सके जहां इसकी आवश्यकता है। फाइबर-युग्मित अर्धचालक लेजर के निम्नलिखित फायदे हैं:

1. ऑप्टिकल फाइबर से उत्सर्जित प्रकाश की तीव्रता वक्र आम तौर पर चिकनी और गोलाकार होती है, और बीम की गुणवत्ता सममित होती है, जो अनुप्रयोग में बहुत सुविधाजनक होती है। उदाहरण के लिए, एंड-पंप सॉलिड-स्टेट लेज़रों के लिए गोलाकार पंप स्पॉट उत्पन्न करने के लिए कम जटिल प्रकाशिकी का उपयोग किया जाता है।

2. यदि लेज़र डायोड और उसके कूलिंग डिवाइस को सॉलिड-स्टेट लेज़र हेड से हटा दिया जाता है, तो लेज़र बहुत छोटा हो जाता है और अन्य ऑप्टिकल भागों को रखने के लिए पर्याप्त जगह होती है।

3. अयोग्य ऑप्टिकली युग्मित सेमीकंडक्टर लेजर को बदलने के लिए डिवाइस की व्यवस्था को बदलने की आवश्यकता नहीं होती है।

4. ऑप्टिकल कपलिंग डिवाइस को अन्य फाइबर ऑप्टिक उपकरणों के साथ संयोजन में उपयोग करना आसान है।

फाइबर युग्मित सेमीकंडक्टर लेजर प्रकार

कई तैयार डायोड लेजर फाइबर-युग्मित होते हैं, जिनमें लेजर पैकेज में बहुत मजबूत फाइबर-युग्मित ऑप्टिक्स होते हैं। विभिन्न डायोड लेजर विभिन्न फाइबर और प्रौद्योगिकियों का उपयोग करते हैं।

सबसे सरल मामला यह है कि एक वीसीएसईएल (वर्टिकल कैविटी सरफेस रेडिएशन लेजर) आमतौर पर बहुत उच्च बीम गुणवत्ता, मध्यम बीम विचलन, कोई दृष्टिवैषम्य नहीं और एक गोलाकार तीव्रता वितरण के साथ एक बीम विकिरण करता है। एकल-मोड फाइबर के मूल में विकिरण स्थान की इमेजिंग के लिए एक साधारण गोलाकार लेंस की आवश्यकता होती है। युग्मन दक्षता 70-80% तक पहुंच सकती है। ऑप्टिकल फाइबर को सीधे वीसीएसईएल की विकिरण सतह से भी जोड़ा जा सकता है।

छोटे किनारे-उत्सर्जक लेजर डायोड भी एक एकल स्थानिक मोड को विकीर्ण करते हैं और इस प्रकार, सिद्धांत रूप में, एकल-मोड फाइबर में कुशलता से जोड़े जा सकते हैं। हालाँकि, यदि केवल एक साधारण गोलाकार लेंस का उपयोग किया जाता है, तो बीम की अण्डाकारता युग्मन दक्षता को बहुत कम कर देगी। और बीम विचलन कोण कम से कम एक दिशा में अपेक्षाकृत बड़ा है, इसलिए लेंस को अपेक्षाकृत बड़े संख्यात्मक एपर्चर की आवश्यकता होती है। एक अन्य समस्या डायोड के आउटपुट लाइट में मौजूद दृष्टिवैषम्य है, विशेष रूप से लाभ-निर्देशित डायोड, जिसे एक अतिरिक्त बेलनाकार लेंस का उपयोग करके मुआवजा दिया जा सकता है। यदि आउटपुट पावर कई सौ मिलीवाट तक पहुंच जाती है, तो फाइबर-युग्मित लाभ-निर्देशित लेजर डायोड का उपयोग एर्बियम-डॉप्ड फाइबर एम्पलीफायरों को पंप करने के लिए किया जा सकता है।

चित्र 2: एक साधारण कम-शक्ति फाइबर-युग्मित किनारे-उत्सर्जक लेजर डायोड का योजनाबद्ध। गोलाकार लेंस का उपयोग लेजर डायोड की सतह से उत्सर्जित प्रकाश को फाइबर कोर पर चित्रित करने के लिए किया जाता है। बीम अण्डाकारता और दृष्टिवैषम्य युग्मन दक्षता को कम करते हैं।

बड़े क्षेत्र के लेजर डायोड विकिरण की दिशा में स्थानिक रूप से बहु-मोड हैं। यदि आप एक बेलनाकार लेंस (उदाहरण के लिए, एक फाइबर लेंस, जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है) के माध्यम से गोलाकार बीम को आकार देते हैं और फिर मल्टीमोड फाइबर में प्रवेश करते हैं, तो अधिकांश चमक खो जाएगी क्योंकि तेज अक्ष दिशा में उच्च गुणवत्ता वाली किरण गुणवत्ता का उपयोग नहीं किया जा सकता. उदाहरण के लिए, 1W की शक्ति वाला प्रकाश 50 माइक्रोन के कोर व्यास और 0.12 के संख्यात्मक एपर्चर के साथ मल्टीमोड फाइबर में प्रवेश कर सकता है। यह प्रकाश माइक्रोचिप लेजर जैसे कम-शक्ति वाले बल्क लेजर को पंप करने के लिए पर्याप्त है। यहां तक ​​कि 10W प्रकाश उत्सर्जित करना भी संभव है।

चित्र 3: एक सरल ऑप्टिकली युग्मित बड़े क्षेत्र वाले लेजर डायोड का योजनाबद्ध। फाइबर ऑप्टिक लेंस का उपयोग तेज अक्ष दिशा में प्रकाश को समेटने के लिए किया जाता है।

एक बेहतर ब्रॉडबैंड लेजर तकनीक में बीम को फायर करने से पहले उसे एक सममित बीम गुणवत्ता (सिर्फ बीम त्रिज्या नहीं) का आकार देना होगा। इससे चमक भी अधिक होती है।

डायोड सरणियों में, असममित बीम गुणवत्ता की समस्या और भी गंभीर है। प्रत्येक ट्रांसमीटर के आउटपुट को फाइबर बंडल में एक अलग फाइबर में जोड़ा जा सकता है। ऑप्टिकल फाइबर डायोड सरणी के एक तरफ रैखिक रूप से व्यवस्थित होते हैं, लेकिन आउटपुट सिरे एक गोलाकार सरणी में व्यवस्थित होते हैं। बीम को मल्टीमोड फाइबर में लॉन्च करने से पहले सममित बीम गुणवत्ता प्राप्त करने के लिए बीम शेपर का उपयोग किया जा सकता है। यह 30W प्रकाश को 0.22 के संख्यात्मक एपर्चर के साथ 200 माइक्रोन व्यास वाले फाइबर में जोड़ने की अनुमति देता है। इस उपकरण का उपयोग लगभग 15W की आउटपुट पावर प्राप्त करने के लिए Nd:YAG या Nd:YVO4 लेजर को पंप करने के लिए किया जा सकता है।

डायोड स्टैक में, बड़े कोर व्यास वाले फाइबर का भी आमतौर पर उपयोग किया जाता है। कई सौ वाट (या कई किलोवाट) प्रकाश को 600 माइक्रोन के कोर व्यास और 0.22 के संख्यात्मक एपर्चर के साथ एक ऑप्टिकल फाइबर में जोड़ा जा सकता है।

फाइबर कपलिंग के नुकसान.

मुक्त-अंतरिक्ष विकिरण लेज़रों की तुलना में फ़ाइबर-युग्मित अर्धचालक लेज़रों के कुछ नुकसानों में शामिल हैं:

अधिक लागत. यदि बीम हैंडलिंग और ट्रांसमिशन प्रक्रियाओं को सरल बनाया जाए तो लागत कम की जा सकती है।

आउटपुट पावर थोड़ी कम है और चमक अधिक महत्वपूर्ण है। इस्तेमाल की गई फाइबर कपलिंग तकनीक के आधार पर चमक का नुकसान कभी-कभी बहुत बड़ा (परिमाण के क्रम से अधिक) और कभी-कभी छोटा होता है। कुछ मामलों में इससे कोई फर्क नहीं पड़ता, लेकिन अन्य मामलों में यह एक समस्या बन जाती है, जैसे डायोड-पंप वाले बल्क लेजर या हाई-पावर फाइबर लेजर के डिजाइन में।

ज्यादातर मामलों में (विशेष रूप से मल्टीमोड फाइबर), फाइबर ध्रुवीकरण को बनाए रखता है। फिर फाइबर का आउटपुट प्रकाश आंशिक रूप से ध्रुवीकृत होता है, और यदि फाइबर को स्थानांतरित किया जाता है या तापमान बदलता है, तो ध्रुवीकरण स्थिति भी बदल जाएगी। यदि पंप अवशोषण ध्रुवीकरण पर निर्भर है, तो यह डायोड-पंप ठोस-अवस्था लेजर में महत्वपूर्ण स्थिरता समस्याएं पैदा कर सकता है।