Láser acoplado de fibrase refiere al láser que utiliza fibra de vidrio dopada con elementos de tierras raras como medio de ganancia.

Hay dos formas principales para que la señal óptica del láser ingrese a la fibra: acoplamiento directo y acoplamiento de lente, y el acoplamiento de lente se divide en acoplamiento de lente única y acoplamiento de lente múltiple. Se puede obtener una mayor eficiencia de acoplamiento usando acoplamiento de lente que acoplamiento directo. La principal ventaja del acoplamiento de doble lente es que la tolerancia se puede dispersar para que los componentes en el camino óptico puedan tener un espacio de desplazamiento mayor.

Aquí hay cinco preguntas prácticas sobre el acoplamiento de fibras.

1. ¿Cuándo se puede usar NA para estimar con precisión el ángulo de recepción de la fibra?

El ángulo máximo de recepción de una fibra multimodo se puede estimar con precisión mediante la apertura numérica (NA), pero esta relación no es aplicable a la fibra monomodo.La relación entre NA y el ángulo máximo de recepción (θmax) se puede calcular mediante óptica geométrica. Vea la siguiente figura para la fórmula. Si la luz incidente se ve como un rayo, θmax representa la capacidad de la fibra para recolectar luz fuera del eje: los rayos (rojo y rosa) con un ángulo incidente menor o igual que θmax experimentan una reflexión interna total (TIR) ​​en la interfaz entre el núcleo y el revestimiento, y están obligados a propagarse hacia adelante en el núcleo. Los rayos con un ángulo incidente mayor que θmax (azul) eventualmente se pierden debido a la refracción.

Múltiples ángulos de incidencia y modo de fibra

Los rayos con un ángulo de incidencia menor o igual a θmax se acoplarán a uno de los modos de guía de la fibra multimodo. En general, cuanto menor sea el ángulo de incidencia, menor será el orden modal de la fibra excitada. La mayor parte de la energía se concentra en el modo de orden inferior cerca del centro, y los rayos que normalmente inciden excitan el modo de orden inferior. El siguiente es un diagrama de la propagación de dos fibras ópticas multimodo.

La fibra monomodo es diferente

La NA calculada por la fórmula anterior no es el ángulo de incidencia máximo de la fibra monomodo, por lo que no puede caracterizar la capacidad de recepción óptica de la fibra monomodo. Solo el modo de guía más bajo excitado por la luz incidente de 0-grados existe en la fibra monomodo, y el diagrama de propagación es el siguiente.

No es exacto estimar el ángulo de divergencia de la salida de fibra monomodo por NA. En este caso, el haz diverge debido a la difracción, y la óptica geométrica no considera este efecto, por lo que se necesita la óptica ondulatoria.

2. ¿Por qué el MFD es un parámetro importante para el láser acoplado de fibra monomodo?

Cuando el haz se propaga a lo largo de la fibra monomodo, mantiene un perfil de intensidad cercano a la forma gaussiana. El ancho del perfil se puede caracterizar por el diámetro del campo modal (MFD), es decir, el ancho del tramo cuando la intensidad cae a 1/e² del valor máximo. Regla general: el MFD es aproximadamente 1,15 veces el diámetro del núcleo de la fibra.

Cuanto más cerca esté la luz incidente de la luz gaussiana, mayor será la eficiencia del acoplamiento. Si la luz incidente es gaussiana y la cintura del haz es igual a la fibra MFD, se puede lograr una alta eficiencia de acoplamiento. Al sustituir MFD en el diámetro de la cintura en la fórmula del haz gaussiano, los parámetros de acoplamiento y el ángulo de divergencia de la fibra monomodo se pueden calcular con precisión.

Determinar los parámetros de acoplamiento

La fibra monomodo tiene un solo modo de guía, que puede describirse mediante la función de Bessel. Debido a la forma similar, el uso de la función gaussiana puede simplificar el patrón de fibra al mismo tiempo que brinda resultados precisos. La siguiente figura muestra el perfil de intensidad del modo de una fibra monomodo, en la que la luz incidente solo se puede acoplar al modo guía si coincide.

Láser acoplado de fibra monomodo

Para mejorar la eficiencia de acoplamiento de la fibra monomodo, se requiere que la cintura del haz gaussiano incidente esté ubicada en el extremo de la fibra, y que la intensidad de la cintura y la intensidad del modo coincidan. Si el diámetro de la cintura del haz no es igual al MFD, el perfil de intensidad del haz cambia o se desvía, o el haz no incide axialmente a lo largo de la fibra, estas condiciones reducirán la eficiencia del acoplamiento.

3. ¿Puede NA estimar con precisión el ángulo de divergencia de la salida de fibra monomodo?

Hay un gran error al estimar el ángulo de divergencia de la fibra monomodo utilizando NA. Un método más preciso es utilizar la teoría de propagación del haz de Gauss. La fórmula aproximada para calcular el ángulo de divergencia de campo lejano de la fibra monomodo es la siguiente, y el resultado es el ángulo de divergencia o ángulo de recepción en radianes.

La salida de la fibra monomodo es similar a la luz gaussiana, por ejemplo, el ángulo de divergencia calculado por la óptica geométrica tiene una gran desviación. El ángulo de divergencia calculado por óptica geométrica es igual a arcsen(NA), que solo es aplicable a la fibra multimodo general.

La fibra monomodo emite un haz gaussiano. La distancia de Rayleigh y el radio del haz en el punto z se calculan mediante las dos fórmulas siguientes, respectivamente.

Por lo tanto, el ángulo de divergencia del haz de salida de la fibra monomodo se puede simular con precisión, como se muestra en la siguiente figura. Obviamente, hay un gran error al calcular los ángulos de divergencia usando NA según la teoría de la óptica geométrica. En este ejemplo, NA y MFD son 0.13 y 6.4 µm, respectivamente. La longitud de onda operativa es de 980 nm y la distancia de Rayleigh es de 32,8 µm.

Como puede verse en la figura, la divergencia del haz no es lineal dentro de la distancia de Rayleigh, pero puede considerarse aproximadamente lineal en el campo lejano. Los dos ángulos marcados en la figura se calculan a partir de la pendiente de sus curvas. Si se utiliza la fórmula de aproximación de campo lejano anterior para calcular, el resultado se convierte en un ángulo de 5,61 grados, con un pequeño error.

4. ¿Cuáles son los factores que afectan la eficiencia de acoplamiento de la fibra monomodo?

La eficiencia de acoplamiento de la fibra monomodo se puede mejorar ajustando el ángulo, la posición y el perfil de intensidad del haz incidente. Suponiendo que la cara del extremo de la fibra sea plana y perpendicular al eje, el haz puede alcanzar la mayor eficiencia de acoplamiento si se cumplen las siguientes condiciones:

•Perfil de intensidad gaussiana

•Incidencia positiva desde el extremo de la fibra

•La cintura se encuentra al final de la fibra

•Alinear el centro de la cintura con un centro central

•El diámetro de la cintura es igual a la fibra MFD

Las fuentes de luz pueden limitar la eficiencia del acoplamiento

Si el láser emite solo el modo transversal de orden más bajo, entonces la salida es aproximadamente un haz gaussiano, que se puede acoplar eficientemente en una fibra monomodo. Sin embargo, la eficiencia de acoplamiento de los láseres multimodo o las fuentes de luz de banda ancha con fibras monomodo es muy baja y la mayor parte de la luz se filtrará incluso si se enfoca en el área del núcleo. Esto se debe a que solo una parte de la luz de la fuente multimodo coincide con el patrón de guía de la fibra monomodo, por lo que la fuente multimodo puede proporcionar una mayor eficiencia de acoplamiento con la fibra multimodo.

5. ¿Está fijo el ángulo máximo de recepción de la fibra multimodo?

El problema depende del tipo de fibra. Para las fibras multimodo de índice escalonado, el ángulo máximo de recepción de cada punto del núcleo es el mismo. Sin embargo, solo el centro del núcleo de la fibra multimodo de índice graduado puede proporcionar el ángulo de incidencia máximo. Cuanto más lejos del centro, menor es el ángulo de recepción máximo y el ángulo de recepción máximo cerca de la interfaz del revestimiento tiende a 0.

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