光纤耦合激光二极管的应用及其优势

在许多应用中，将激光二极管的输出耦合到光纤中以将光线传送到需要的地方是非常方便的。光纤耦合激光二极管具有多个优点，包括光束质量的圆形均匀性、更紧凑的激光头设计、易于更换故障激光二极管，以及与其他光纤元件的无缝集成。

目录

1. 光纤耦合激光二极管的优势
2. 光纤耦合激光二极管的类型
3. 光纤耦合的潜在缺点
4. 光纤输出的光束质量

光纤耦合激光二极管的优势

光纤耦合激光二极管（也称为光纤集成或光纤尾纤）具有多种优势，使其在实际应用中非常方便。例如，由于光纤输出的光束具有圆形和平滑的强度分布，因此在为端泵浦固态激光器生成圆形泵浦斑点时，不需要复杂的光学系统。此外，可以将激光二极管及其冷却装置从激光头中移除，使激光头更加紧凑，为其他部件留出更多空间。如果光纤耦合的激光二极管发生故障，可以轻松更换，而无需改变光线使用设备的对准。光纤耦合设备还可以轻松与其他光纤元件结合使用。

光纤耦合激光二极管的类型

许多激光二极管以光纤耦合形式出售，其激光封装中内置了坚固的光纤耦合光学元件（例如，永久激光焊接的光纤附件）。使用的光纤和技术因不同的激光二极管而有很大差异：

• VCSEL（垂直腔面发射激光器）通常发射高光束质量、适度光束发散、无像散和圆形强度分布的光束。简单的球面透镜就足以将发射点成像到单模光纤的核心。耦合效率可达70-80%。
• 小型边发射激光二极管也以单一空间模式发射，原则上也可以实现对单模光纤的高效耦合。然而，如果使用简单的球面透镜，光束的椭圆形状可能会显著降低耦合效率。此外，至少在一个方向上的光束发散相对较高，需要具有相对高数值孔径的透镜。
• 宽区域激光二极管在发射器的长方向上是空间多模的。如果使用圆柱透镜简单地成型圆形光束，然后发射到多模光纤中，将损失大量亮度（辐射度），因为无法利用快轴方向的高光束质量。
• 对于激光二极管阵列，不对称的光束质量问题更为严重。这里，单个发射器的输出可能被耦合到光纤束的单独光纤中。光纤在二极管阵列一侧以线性阵列排列，但在输出端以圆形阵列排列。

光纤耦合的潜在缺点

与自由空间发射激光器相比，光纤耦合激光二极管存在一些潜在的缺点：

• 成本更高。然而，这可能被更简单的光束处理和传输所节省的成本所抵消。
• 输出功率略有降低，更重要的是亮度（辐射度）。亮度损失可能相当大（超过一个数量级）或相对较小，这取决于光纤耦合的技术。
• 在大多数情况下（特别是使用多模光纤时），光纤不保持偏振。因此，光纤输出通常是部分偏振的，当光纤移动或温度变化时，偏振状态可能会改变。
• 可能无法获得每个光学波长的光纤耦合激光二极管产品。

光纤输出的光束质量

光纤输出的光束质量通常没有具体说明；在许多情况下，只知道光纤的核心直径和数值孔径（NA），并假设使用的是阶跃折射率多模光纤。在这种情况下，没有公式可以精确计算光束质量，因为它依赖于光纤模式上的光功率分布，而这种分布本身取决于光纤的发射条件。然而，可以大致估算光束质量M2因子，假设功率在模式上分布良好，以便数值孔径代表实际光束发散的合理（可能略高）估计。