Laser Acoplado a Fibrarefere-se ao laser usando fibra de vidro dopada com elementos de terras raras como meio de ganho.

Existem duas maneiras principais para o sinal óptico do laser entrar na fibra: acoplamento direto e acoplamento de lente, e o acoplamento de lente é dividido em acoplamento de lente única e acoplamento de múltiplas lentes. Maior eficiência de acoplamento pode ser obtida usando acoplamento de lente em vez de acoplamento direto. A principal vantagem do acoplamento de lente dupla é que a tolerância pode ser dispersa para que os componentes no caminho óptico possam ter um espaço de deslocamento maior.

Aqui estão cinco perguntas práticas sobre acoplamento de fibra

1. Quando NA pode ser usado para estimar com precisão o ângulo de recepção da fibra?

O ângulo máximo de recepção de uma fibra multimodo pode ser estimado com precisão pela abertura numérica (NA), mas essa relação não é aplicável à fibra monomodo.A relação entre NA e o ângulo máximo de recepção (θmax) pode ser calculada por óptica geométrica. Veja a figura a seguir para a fórmula. Se a luz incidente for vista como um raio, θmax representa a capacidade da fibra de coletar luz fora do eixo: raios (vermelho e rosa) com ângulo de incidência menor ou igual a θmax sofrem reflexão interna total (TIR) ​​na interface entre o núcleo e o revestimento, e são obrigados a se propagar para a frente no núcleo. Raios com um ângulo de incidência maior que θmax (azul) são eventualmente perdidos devido à refração.

Múltiplos ângulos de incidência e modo de fibra

Raios com ângulo de incidência menor ou igual a θmax serão acoplados a um dos modos guia da fibra multimodo. Em geral, quanto menor o ângulo de incidência, menor a ordem do modo da fibra excitada. A maior parte da energia está concentrada no modo de baixa ordem perto do centro, e os raios normalmente incidentes excitam o modo de ordem mais baixa. O seguinte é um diagrama da propagação de duas fibras ópticas multimodo.

A fibra monomodo é diferente

NA calculado pela fórmula acima não é o ângulo máximo de incidência da fibra monomodo, portanto não pode caracterizar a capacidade de recepção óptica da fibra monomodo. Somente o modo de guia mais baixo excitado pela luz incidente de 0-grau existe na fibra monomodo, e o diagrama de propagação é o seguinte.

Não é preciso estimar o ângulo de divergência da saída da fibra monomodo por NA. Nesse caso, o feixe diverge devido à difração e a óptica geométrica não considera esse efeito, portanto, a óptica ondulatória é necessária.

2. Por que o MFD é um parâmetro importante para Laser Acoplado a Fibra de modo único?

Quando o feixe se propaga ao longo da fibra monomodo, ele mantém um perfil de intensidade próximo ao formato gaussiano. A largura do perfil pode ser caracterizada pelo diâmetro do campo modal (MFD), ou seja, a largura do vão quando a intensidade cai para 1/e² do valor de pico. Regra geral: O MFD é cerca de 1,15 vezes o diâmetro do núcleo da fibra.

Quanto mais próxima a luz incidente estiver da luz gaussiana, maior será a eficiência do acoplamento. Se a luz incidente for gaussiana e a cintura do feixe for igual à fibra MFD, pode ser alcançada uma alta eficiência de acoplamento. Ao substituir o MFD no diâmetro da cintura na fórmula do feixe gaussiano, os parâmetros de acoplamento e o ângulo de divergência da fibra monomodo podem ser calculados com precisão.

Determinar parâmetros de acoplamento

A fibra monomodo possui apenas um modo de guia, que pode ser descrito pela função de Bessel. Devido à forma semelhante, o uso da função gaussiana pode simplificar o padrão de fibra, fornecendo resultados precisos. A figura abaixo mostra o perfil de intensidade modal de uma fibra monomodo, na qual a luz incidente só pode ser acoplada ao modo guia se for compatível com ele.

Laser Acoplado a Fibra de Modo Único

Para melhorar a eficiência de acoplamento da fibra monomodo, é necessário que a cintura do feixe gaussiano incidente esteja localizada na extremidade da fibra, e a intensidade da cintura e a intensidade do modo correspondam e coincidam. Se o diâmetro da cintura do feixe não for igual ao MFD, o perfil de intensidade do feixe mudar ou desviar, ou o feixe não for incidente axialmente ao longo da fibra, essas condições reduzirão a eficiência do acoplamento.

3. NA pode estimar com precisão o ângulo de divergência da saída da fibra monomodo?

Há um grande erro na estimativa do ângulo de divergência da fibra monomodo usando NA. Um método mais preciso é usar a teoria de propagação de feixe gaussiano. A fórmula aproximada para calcular o ângulo de divergência de campo distante da fibra monomodo é a seguinte, e o resultado é o ângulo de divergência ou o ângulo de recepção em radianos.

A saída da fibra monomodo é semelhante à luz gaussiana, por exemplo, o ângulo de divergência calculado pela óptica geométrica tem um grande desvio. O ângulo de divergência calculado pela óptica geométrica é igual a arcsin(NA), que só é aplicável à fibra multimodo geral.

A fibra monomodo emite um feixe gaussiano. A distância de Rayleigh e o raio do feixe no ponto z são calculados pelas duas fórmulas a seguir, respectivamente.

Portanto, o ângulo de divergência do feixe de saída da fibra monomodo pode ser simulado com precisão, conforme mostrado na figura abaixo. Obviamente, há um grande erro no cálculo dos ângulos de divergência usando NA de acordo com a teoria da óptica geométrica. Neste exemplo, NA e MFD são 0,13 e 6,4 µm, respectivamente. O comprimento de onda operacional é de 980 nm e a distância Rayleigh é de 32,8 µm.

Como pode ser visto na figura, a divergência do feixe não é linear dentro da distância de Rayleigh, mas pode ser considerada aproximadamente linear no campo distante. Os dois ângulos marcados na figura são calculados a partir da inclinação de suas curvas. Se a fórmula de aproximação de campo distante acima for usada para calcular, o resultado será convertido em um ângulo de 5,61 graus, com um pequeno erro.

4. Quais são os fatores que afetam a eficiência de acoplamento da fibra monomodo?

A eficiência de acoplamento da fibra monomodo pode ser melhorada ajustando o ângulo, a posição e o perfil de intensidade do feixe incidente. Assumindo que a face final da fibra é plana e perpendicular ao eixo, a viga pode atingir a maior eficiência de acoplamento se as seguintes condições forem atendidas:

•Perfil de intensidade gaussiana

• Incidência positiva da face final da fibra

•A cintura está localizada no final da fibra

• Alinhe o centro da cintura com um centro central

• O diâmetro da cintura é igual à fibra MFD

As fontes de luz podem limitar a eficiência do acoplamento

Se o laser emite apenas o modo transversal de ordem mais baixa, a saída é aproximadamente um feixe gaussiano, que pode ser acoplado de forma eficiente em uma fibra monomodo. No entanto, a eficiência de acoplamento de lasers multimodo ou fontes de luz de banda larga com fibras monomodo é muito baixa e a maior parte da luz vazará mesmo se estiver focada na área central. Isso ocorre porque apenas parte da luz da fonte multimodo corresponde ao padrão de guia da fibra monomodo, de modo que a fonte multimodo pode fornecer maior eficiência de acoplamento com a fibra multimodo.

5. O ângulo máximo de recepção da fibra multimodo é fixo?

O problema depende do tipo de fibra. Para fibras multimodo de índice escalonado, o ângulo de recepção máximo de cada ponto no núcleo é o mesmo. No entanto, apenas o centro do núcleo da fibra multimodo de índice graduado pode fornecer o ângulo de incidência máximo. Quanto mais longe do centro, menor o ângulo de recepção máximo e o ângulo de recepção máximo perto da interface do revestimento tende a 0.

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