Accoppiamento LDA/fibra

(1) Gli array di diodi laser (LDA) hanno allargato il loro ruolo in molti settori applicativi per le loro caratteristiche di piccolo ingombro, facilità di integrazione, lunghezza della vita operativa e alta efficienza elettro-ottica. Oggi sono utitlizzati in applicazioni di trattamento medico, processamento di materiali, pompaggio di laser alo stato solido, nei campi industriale ed aerospaziale. Tuttavia gli LDA hanno un difficile uso diretto in molti campi a causa delle loro caratteristiche di campo lontano. La sezione trasversale del raggio è ellittica. L'angolo di divergenza del raggio è di circa 20° - 40° nelle direzine perpendicolare alla giunzione e circa 6° - 10° nella direzione parallela alla giunzione. La sezione trasversale non è quindi gaussiana e necessita di essere migliorata per permettere l'uso degli LDA. Il modo principale per migliorare il raggio in uscita è accoppiare ' LDA con una fibra.

Fig 1 Schema Array Diodi Laser

(2) Nel caso di emettitore a striscia, gli LDA di alta potenza presentano delle caratteristche di propaganzione scadenti. Nella direzione perpendicolare al piano ella gunzione p-n (asse veloce) l'angolo di divergenza può arrivare fino a 40°. L'altezza dei singoli emettitoti è di circa 1 mm e nella direzione parallela allagiunzione (asse lento) la divergenza è meno di 10°. La maggior parte degli LDA ad alta potenza sono realizzati cone barre di semiconduttore da 10 mm montate su dispersori di calore e forniscono potenze CW da 20W a 40W. Essi presentanoregioni di emissione distinte, ognuna ampia circa 150 μm lungo l'asse lento e la spaziatura tra le varie emissioni è di circa 500 μm e il numero di emettitori è 19. La fig. 1 mostra lo schema di un array di diodi laser.

Fig 2 Schema accoppiamento LD - Lente Cilindrica - Fibra ottica

(3) La fig. 2 mostra uno schema dell'accoppiamento tra diodo laser e fibra attraverso una lente cilindrica. In generale la distanza del DL dalla lente cilindrica dipende non solo dal raggio e dall'indice di rifrazione della lente cilindrica, ma anche dall'angolo di divergenza del DL lungo l'asse veloce e dall'apertira numerica della fibra ottica multimodale.

 Fig 3 Geometria della struttura di accoppiamento asse veloce

(4) La fig 3 mostra la geometria della struttura di accoppiamento assieme ad un raggio incidente nella direzione dell'asse veloce, dove:

r = raggio della lente cilindrica

d₁ = distanza verticale del raggio incidente sulla lente dall'asse ottico

d₂ = distanza verticale del raggio uscente dalla lente dall'asse ottico

L₁ = distanza dalla sorgente laser dalla lente cilindrica

L₃ = distanza della fibra dalla lente cindrica

H = è l'altezza del raggio al punto L3

Utilizzando la tecnica del tracciamento dei raggi lineari si ha

(1)         H= d₂ + [L₃ + r  - r cos(2α₂ - α₁)] tanα₄

Se usiamo una fibra a faccia piatta con φ = arcsin 0,22 = 12,709 (apertura numerica della fibra) e ψ = 200 μm = diametro della fibra, soltanto raggi con α_4max ≤ φ sono accettati all'interno del nucleo della fibra

(2) α₄ = 2 arcsin[(L1 + r) sin(α)/ nr] - 2 arcsin[(L1 + r) sin(α)/ r] + α

Dove

n= 1,458 - indice di rufrazione della lente cilindrica

r = 100 μm - raggio della lente cilindrica

α = 20°.

Pertanto si ha la limitazione L₁ ≤ 109,667 μm. Quando α₄ = 0 allora L₁ = 46,680 μm. Pertanto risulta:

(3)    46,680 μm ≤ L₁ ≤ 109,667 μm

Fig 4 Geometria della struttura di accoppiamento asse lento

 (5) a fig. 4 mostra lo schema del sistema di accoppiamento lungo l'asse lento. L è l'ampiezza dell'array di diodi nella direzione dell'asse lento ( L = 10 mm). A è l'angolo di rifrazione del DL nella lente cilindrica. H1 è datp da:

(4)       H₁ = L/2 + L₁ tan5° + 2r tanA + L₃ tan5°

Quando H ≤ √ r² - H² , la fibra piatta è in grado di accettare tutto il raggio tramesso dal LDA.

 Fig 5 Geometria della struttura di accoppiamento asse veloce e  lento

(6) Dall'analisi precedente si evince che se la distanza del DL dalla lente cilindrica è compresa tra 40 ed 80 μm, allora il raggio laser viene interamente accoppiato all'interno della fibra. Nello stesso tempo, la distnaza della parte piatta della fibra dalla lente cilindrica deve essere minore di 233 μm. Per ottenere un accoppiamento efficiente tale disyanza è limitata a meno di 180 μm.

(da Fiber optic coupling of high power laser diode array - Gang Niu, Zhongwei Fan, Peifeng Wang, Jianfeng Cui, Zhaohui Shi, Jing Zhang - CHINESE OPTICS LETTERS / Vol. 5, Supplement / May 31, 2007)