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纖維耦合的激光二極管是一個集成標準激光二極管的系統 - 一種半導體設備，當電流通過它時，它會用光纖發出連貫的光。至關重要的步驟是“耦合”過程，其中從激光二極管的微小光圈中散發出的散開光束精確聚焦並對齊到光纖的較小核心中。與使用裸機激光二極管相比，這種集成具有幾個重要的優勢。
想像一下，激光二極管是一個很小的手電筒，散發出很快散佈的光束。雖然有用，但這種散開的光束很難在距離上或複雜的光學設置中準確地定向。相反，光纖的作用像是一條高效的輕型管，沿其長度引導光，損失最小，這要歸功於總內部反射的原則。通過將激光二極管耦合到纖維上，我們獲得了兩全其美的最佳：激光二極管的緊湊，有效的光生成和纖維的方向性，低損耗的傳輸能力。
這種耦合併不小。它需要細緻的對齊方式，並且經常使用專門的光學元件（例如鏡頭），以最大程度地將從二極管輸出轉移到纖維的核心的光量，從而最大程度地減少損失。該轉移的效率是一個關鍵的性能度量標準，通常表示為耦合效率（進入纖維與二極管發出的總功率的比率）。
為什麼要採用“光纖耦合”方法？
使用激光二極管的光纖解決了一些實際挑戰：
易於使用和集成：纖維是靈活的，可以輕鬆地將其路由到復雜的系統中，從而消除了精確的，固定的固定對齊方式，將精緻的激光二極管本身在較大的設備中。
提高光束質量和準確性：纖維固有地准直透明，與原二極管發射相比，纖維可提供更均勻，更可預測的輸出光束曲線。
環境保護：纖維包圍光線，保護其免受外部污染物的影響，並在各種環境中確保穩定的性能。
長距離傳輸：纖維使激光光在衰減最小（信號損失）中行駛顯著距離，這對於電信等應用至關重要。
多路復用：可以將多個纖維捆綁或連接，從而通過單個途徑或連接器將幾個激光束或信號路由路由。
了解這些基本原理為探索這些多功能組件的各種類型和應用奠定了基礎。
纖維耦合 激光二極管 不是單片類別。它們以各種形式出現，主要由激光二極管的核心類型及其耦合的纖維的特徵區分開。兩個最常見的區別是基於光纖類型：單模和多模式。
單模纖維的核心直徑很小（標準電信纖維的9微米約為9微米）。它們旨在僅支持光線的單個繁殖模式，這導致高度集中和連貫的輸出光束離開纖維端。要有效地將光線融入這樣的微小核心需要非常精確的對齊和高質量的光學元件，通常涉及專業的非球面鏡頭。
關鍵特徵：
遠光燈質量：輸出光束具有明確的高斯輪廓，低差異和高空間連貫性。這是通過低光束參數產品（BPP）量化的。
狹窄的光譜寬度：通常與具有狹窄發射光譜的激光二極管一起使用，對於需要高光譜純度的應用至關重要。
較低的功率處理：由於核心區域很小，功率密度很高，與多模式設置相比，該功率密度可能會限制最大輸出功率，並且可能需要仔細的二極管和光纖端面的熱管理。
應用：單模光纖耦合的二極管是現代電信的工作主演，其帶寬高遠距離攜帶數據。它們在高精度干涉法，計量學，需要精細光束的激光雷達系統以及某些醫療應用（例如眼鏡檢查或皮膚鏡檢查）中也至關重要。
多模式纖維的核心直徑較大（儘管存在其他尺寸，但通常是50或62.5微米）。它們可以支持多種傳播模式，這意味著燈光可以沿著纖維內的多個路徑傳播。與單模纖維相比，當光脫離光纖時，這會導致更廣泛的輸出光束輪廓，並具有較高的差異。
關鍵特徵：
較低的光束質量：由於多種模式，輸出光束較不連貫，並且具有較高的差異。這反映在較高的BPP中。
更高的電源處理：較大的核心區域可以在達到損壞閾值之前進行更高的總功率傳輸，從而適合於更高功率的應用。
更簡單的耦合：將分化二極管束與較大的核心對齊通常比單模耦合更容易且對輕微的未對準更敏感，從而有可能降低製造成本。
應用：多模式纖維耦合二極管二極管廣泛用於工業激光處理，例如激光切割，焊接和標記，其中高功率通常比光束質量更為重要。它們還用於泵送固態或光纖激光器的應用，光纖傳感器（尤其是那些對模態分散敏感的傳感器）以及較短距離的某些數據通信應用。
其他類型和變化：
除了單模與多模式區別之外，您可能會遇到：
可調纖維耦合激光二極管：這些設備結合了調節輸出波長的機制（例如外部空腔或光柵），從而允許單個模塊覆蓋一系列光譜線。這在光譜和傳感應用中很有價值，在這些應用中，需要不同的材料或測量的波長。
高功率纖維耦合二極管：這些通常是多模式設備，旨在為苛刻的工業流程提供重要的光學功率（數十甚至數百瓦）。他們經常結合先進的熱管理功能，例如水冷卻，以消散產生的大量熱量。
波長穩定的纖維耦合二極管：這些使用技術在纖維內使用纖維bragg haplings（FBG），僅反映了一個非常狹窄的波長帶回到二極管，從而有效地將其發射鎖定到該特定波長中，對於精確應用至關重要。
了解這些不同類型有助於為工作選擇合適的工具，平衡所需的功率，梁質量，波長和應用距離。
纖維耦合激光二極管的多功能性源於激光二極管和光纖的組合強度。他們能夠有效，靈活地提供受控，連貫的光線，使它們在各種現代技術中必不可少。
這可以說是最突出的應用。單模光纖耦合二極管是長途和高速數據網絡的主幹。他們有效地將數據攜帶的光信號啟動到纖維基礎架構中，從而可以在較大的距離內進行高帶寬的通信，並降低信號降低。它們的精確波長控制和高耦合效率對於維持複雜網絡環境中的信號完整性至關重要。
在製造業中，多模式纖維耦合二極管被廣泛用於激光切割，焊接，鑽孔和各種材料的標記，從金屬和塑料到復合材料。通過纖維傳遞的高功率可以快速去除或融合，而纖維的柔韌性則可以實現複雜的零件幾何形狀和遠程處理。單模版本用於更精確的任務，例如微焊接或塗抹。
纖維耦合二極管提供的精度和控制在醫療應用中高度重視。它們用於激光手術中，以進行精確的組織消融或凝結，並取決於纖維達到困難解剖位置的能力。在牙科方面，它們有助於諸如腔製備或牙齦治療之類的程序。它們是內窺鏡醫學成像系統不可或缺的一部分，通過柔性纖維提供照明或啟用光譜分析。低功率二極管用於光動力療法和某些診斷工具。
纖維耦合二極管是各種傳感系統中的關鍵組件。它們與纖維的集成允許創建分佈式或點傳感器，以測量沿纖維長度等溫度，壓力，應變或化學濃度等參數。在計量學中，它們是用於高精度測量尺寸，距離或表面輪廓的干涉儀的穩定光源。
跨學科的研究人員利用纖維耦合二極管進行多種實驗。它們為光譜，顯微鏡，量子光學實驗和原子物理學研究提供穩定，可調或高功率的光源。將纖維整合到實驗設置中的便捷性簡化了複雜的光學比對。
雖然纖維耦合的二極管也較不明顯，但在消費者設備中也發現了小眾角色。它們可能用於自動駕駛汽車或高級駕駛員輔助系統（ADA）的某些LiDAR系統，可提供距離感應的燈。他們還可以參與大型電子組件或專門成像設備中的高速數據鏈路。
這些應用的廣度強調了現代技術中纖維耦合激光二極管的基本重要性，這是無數領域創新的關鍵推動力。
激光切割是現代製造中的基石技術，可為處理多種材料提供精度，速度和多功能性。纖維耦合的激光二極管，尤其是高功率多模式變體，在該域中變得越來越重要，通常是工業纖維激光器的光源或作為直接二極管切割系統本身。
纖維耦合二極管如何使激光切割：
動力傳遞：纖維耦合二極管在激光切割中的主要作用（尤其是在直接二極管系統中）是將必要的光電功率傳遞給切割頭。通常在多模式配置中，高功率激光二極管會產生強光。該燈耦合到穩健的多模式纖維中，能夠處理切割金屬和其他材料所需的高功率水平。纖維充當導管，有效地將這種功率傳輸到切割噴嘴。
樑的整形和聚焦：雖然纖維本身提供了一定的準則，但與切割所需的微小點相比，纖維端的輸出仍然相對較大。切割頭組件通常包括鏡頭或專門的光學元件，以將纖維放在工件表面的直徑很小的光束上。該聚焦的質量受到來自纖維的光束參數的影響，這又取決於纖維的類型和耦合效率。
靈活性和集成：纖維允許高功率激光源（二極管模塊）從切割頭遠程定位。這種分離對於實際操作至關重要。它允許將笨重的發熱二極管模塊放置在受控的環境中，而僅包含纖維輸出和聚焦光學元件的輕質切割頭可以通過切割機器的龍門進行精確操縱。此設置簡化了機器設計，減少振動並提高整體系統可靠性。
直接二極管切割與纖維激光泵：區分直接二極管切割和纖維耦合二極管泵纖維激光器的系統很重要。在直接切割中，將二極管的輸出（通常約為808nm或915nm/976nm）直接集中在材料上。在纖維激光系統中，多模式纖維耦合二極管為稀土摻雜的纖維泵送（通常是摻雜的纖維），然後在更易於固定的波長（約1070-1100nm）上酸化。兩種方法都利用纖維耦合二極管，但是直接方法有時可以提供更高的電氣到光學效率和更簡單的系統架構，儘管與纖維激光器相比，橫梁質量可能不同。
激光切割方面的優勢：
高效率：光纖耦合二極管系統，尤其是直接二極管配置，可以提供高電動轉換效率，從而降低運營成本。
快速處理：高功率傳遞可為許多材料提供快速切割速度。
材料多功能性：適合切割多種材料，尤其是金屬。
系統簡單性（直接二極管）：與某些傳統激光系統相比，較少的光學組件會導致更高的可靠性和潛在的維護較低。
了解纖維耦合的激光二極管在激光中的作用突出顯示其實際影響，從而將理論光子學轉化為有形的製造能力。
儘管許多纖維耦合 激光二極管 以一個固定的波長運行，但技術的進步導致了能夠在多個波長上發光的設備的開發。這種多大波長度能夠打開新的可能性，並解決了各種應用程序中的特定挑戰。
如何實現多大波長的操作：
在纖維耦合系統中實現多波長發射的方法有幾種方法：
可調激光二極管：使用帶有內置調諧機制的激光二極管（例如外部空腔二極管或帶有集成的光柵的垂直腔表面發射激光器（VCSEL）），可以在一定範圍內進行電子調節。然後使用標準技術將這些二極管耦合。
多個二極管集成：單個軟件包可能包含多個激光二極管，每個二極管以不同的波長發射。內部或外部開關機制（例如光學開關或多路復用器）可以選擇哪種二極管的光耦合到輸出光纖中。
混合系統：單波長纖維耦合二極管可以與外部波長轉換元件相結合，例如非線性光學晶體（用於頻率加倍，三胞胎等）或光學參數振盪器（OPOS），儘管這通常超出了簡單的“光纖耦合的二極管”和更複雜的lasser system。
多波倫長的好處和應用：
材料處理優化：不同的材料在特定波長下最有效地吸收光。可以將多波長纖維耦合二極管調整或切換到目標材料的最佳波長，從而改善切割，焊接或消融效率和質量。例如，塑料在980nm時可能會更好地吸收，而某些金屬可能會在808nm或1064nm處更有效地處理。
光譜和傳感：許多分析技術都依賴於在特定波長處發光的探測材料來識別化學成分或物理特性。可調纖維耦合的源可以在整個光譜上進行快速掃描，從而通過其特徵吸收或發射線鑑定樣品中多個組件或特徵。
醫療應用：不同的生物組織或髮色團對各種波長的反應不同。多波長能力在醫學成像（例如，將血管與周圍組織區分開）和治療應用（例如，針對特定細胞或使用光動力療法的深度）有價值。
電信：雖然對於基本傳輸較少，但多波長源在密集波長施用多路復用（DWDM）系統中至關重要，其中將不同波長處的多個信號組合到單個光纖上以進行高能力數據傳輸。纖維耦合可調激光器是這些系統測試和測量設備中的關鍵組件。
挑戰：
在一系列波長中實現良好的耦合效率可能會具有挑戰性，因為最佳耦合光學元件可能隨波長而略有不同。此外，在整個調諧範圍內保持穩定的輸出功率和模式特性，需要仔細設計激光二極管和耦合光學元件。
使用多個波長的能力顯著提高了光纖耦合激光二極管的靈活性和適用性，從而使它們在光子學工具包中更具用途的工具。
