Laser à semi-conducteur couplé à des fibres

Définition : Une diode laser dans laquelle la lumière générée est couplée dans une fibre optique.

Dans de nombreux cas, il est nécessaire de coupler la lumière émise par une diode laser à une fibre optique afin que la lumière puisse être transmise là où elle est nécessaire. Les lasers à semi-conducteurs couplés à des fibres présentent les avantages suivants :

1. La courbe d'intensité de la lumière émise par la fibre optique est généralement lisse et circulaire, et la qualité du faisceau est symétrique, ce qui est très pratique à utiliser. Par exemple, des optiques moins complexes sont utilisées pour générer des spots de pompe circulaires pour les lasers à semi-conducteurs pompés à l'extrémité.

2. Si la diode laser et son dispositif de refroidissement sont retirés de la tête laser à semi-conducteurs, le laser devient très petit et il y a suffisamment d'espace pour placer d'autres pièces optiques.

3. Le remplacement de lasers à semi-conducteurs à couplage optique non qualifiés ne nécessite pas de modification de la disposition de l'appareil.

4. Le dispositif de couplage optique est facile à utiliser en combinaison avec d'autres dispositifs à fibre optique.

Types de lasers à semi-conducteurs couplés à des fibres

De nombreux lasers à diode finis sont couplés par fibre, contenant des optiques couplées par fibre très robustes dans le boîtier laser. Différents lasers à diode utilisent différentes fibres et technologies.

Le cas le plus simple est qu'un VCSEL (Vertical Cavity Surface Radiation Laser) émet généralement un faisceau avec une qualité de faisceau très élevée, une divergence de faisceau moyenne, aucun astigmatisme et une distribution d'intensité circulaire. L'imagerie du point de rayonnement au cœur d'une fibre monomode nécessite une simple lentille sphérique. L'efficacité du couplage peut atteindre 70 à 80 %. Les fibres optiques peuvent également être couplées directement dans la surface rayonnante du VCSEL.

Les petites diodes laser à émission latérale rayonnent également dans un mode spatial unique et peuvent donc, en principe, se coupler efficacement en fibres monomodes. Cependant, si seule une simple lentille sphérique est utilisée, l’ellipticité du faisceau réduira considérablement l’efficacité du couplage. Et l'angle de divergence du faisceau est relativement grand dans au moins une direction, l'objectif doit donc avoir une ouverture numérique relativement grande. Un autre problème est l'astigmatisme présent dans la lumière de sortie de la diode, en particulier de la diode à gain guidé, qui peut être compensé en utilisant une lentille cylindrique supplémentaire. Si la puissance de sortie atteint plusieurs centaines de milliwatts, des diodes laser à gain guidé couplées à des fibres peuvent être utilisées pour pomper des amplificateurs à fibre dopée à l'erbium.

Figure 2 : Schéma d’une simple diode laser à émission de bord couplée à une fibre de faible puissance. La lentille sphérique est utilisée pour imager la lumière émise par la surface de la diode laser sur le cœur de la fibre. L'ellipticité du faisceau et l'astigmatisme réduisent l'efficacité du couplage.

Les diodes laser à grande surface sont spatialement multimodes dans la direction du rayonnement. Si vous façonnez simplement le faisceau circulaire à travers une lentille cylindrique (par exemple, une lentille à fibre, comme le montre la figure 3) et que vous entrez ensuite dans la fibre multimode, la majeure partie de la luminosité sera perdue car le faisceau de haute qualité dans la direction de l'axe rapide La qualité ne peut pas être utilisée. Par exemple, une lumière d'une puissance de 1 W peut pénétrer dans une fibre multimode avec un diamètre de cœur de 50 microns et une ouverture numérique de 0,12. Cette lumière est suffisante pour pomper un laser en vrac de faible puissance, tel qu’un laser à micropuce. Même émettre 10 W de lumière est possible.

Figure 3 : Schéma d’une simple diode laser de grande surface à couplage optique. Les lentilles à fibre optique sont utilisées pour collimater la lumière dans la direction de l'axe rapide.

Une technologie laser à large bande améliorée consisterait à façonner le faisceau pour avoir une qualité de faisceau symétrique (pas seulement le rayon du faisceau) avant de le tirer. Cela se traduit également par une luminosité plus élevée.

Dans les réseaux de diodes, le problème de la qualité du faisceau asymétrique est encore plus grave. La sortie de chaque émetteur peut être couplée à une fibre différente dans le faisceau de fibres. Les fibres optiques sont disposées linéairement sur un côté du réseau de diodes, mais les extrémités de sortie sont disposées selon un réseau circulaire. Un façonneur de faisceau peut être utilisé pour obtenir une qualité de faisceau symétrique avant de lancer le faisceau dans une fibre multimode. Cela permet de coupler 30 W de lumière dans une fibre de 200 microns de diamètre avec une ouverture numérique de 0,22. Cet appareil peut être utilisé pour pomper des lasers Nd:YAG ou Nd:YVO4 pour obtenir une puissance de sortie d'environ 15W.

Dans les piles de diodes, des fibres avec des diamètres de cœur plus grands sont également couramment utilisées. Plusieurs centaines de watts (voire plusieurs kilowatts) de lumière peuvent être couplés dans une fibre optique avec un diamètre de coeur de 600 microns et une ouverture numérique de 0,22.

Inconvénients du couplage de fibres.

Certains inconvénients des lasers à semi-conducteurs couplés à des fibres par rapport aux lasers à rayonnement en espace libre comprennent :

coût plus élevé. Les coûts peuvent être réduits si les processus de manipulation et de transmission des faisceaux sont simplifiés.

La puissance de sortie est légèrement inférieure et surtout la luminosité. La perte de luminosité est parfois très importante (supérieure à un ordre de grandeur) et parfois faible, selon la technologie de couplage de fibres utilisée. Dans certains cas, cela n'a pas d'importance, mais dans d'autres cas, cela devient un problème, comme dans la conception de lasers en vrac pompés par diodes ou de lasers à fibre haute puissance.

Dans la plupart des cas (notamment les fibres multimodes), la fibre maintient la polarisation. Ensuite, la lumière de sortie de la fibre est partiellement polarisée, et si la fibre est déplacée ou si la température change, l'état de polarisation changera également. Si l'absorption de la pompe dépend de la polarisation, cela peut créer des problèmes de stabilité importants dans les lasers à solide pompés par diode.