Конструкция формирования луча для диодных лазеров, соединенных в оптическое волокно

Источники мультиспектральных диодных лазеров широко используются в различных приложениях, включая идентификацию небольших объектов на основе их спектральной сигнатуры. Хотя масштабирование мощности одиночных излучателей сильно ограничено, их легко объединить в виде линеек и групп диодных лазеров, что позволяет комбинировать длины волн и уровни мощности, необходимые для каждого приложения. Однако критическим недостатком этой топологии является асимметрия между быстрой и медленной осями в профиле пучка, что приводит к плохому качеству пучка и, возможно, к низкой эффективности связи волокна. В связи с этим требуется подходящая форма луча, чтобы максимизировать передачу мощности в минимально возможной сердцевине волокна. В этой работе мы предлагаем инновационный метод формирования луча для гомогенизации качества луча шести 8-полосных диодных лазерных стеков на длинах волн от 790 до 980 нм. Мы выполнили реалистичное моделирование, чтобы изучить метод формования, если это возможно, с коммерчески доступными компонентами.

Коллимационные линзы с быстрой осью (FAC) и устройства для укладки луча разработаны в Zemax для ремоделирования луча в дальней зоне, излучаемого каждой полосой. Луч каждого пакета диодных лазеров делится пополам по вертикальной оси с помощью поляризационных сумматоров пучков, а затем три пакета кварцевых пластин объединяют и перестраивают лучи, исходящие от каждой пары пакетов диодных лазеров по горизонтальной оси, чтобы исключить области без света. Затем с помощью отражающих и дихроичных зеркал получается одиночный многоспектральный луч, который эффективно соединяется с оптическим волокном с диаметром сердцевины

1 мм и числовой апертурой (N.A.) 0,5 с использованием дублета цилиндрических линз. Максимальная плотность мощности ∼ 0,73 МВт / см2 рассчитана на выходе волокна с оптоволоконным соединением 89%. Ряд приложений могут извлечь выгоду из предложенной топологии, в частности, биомедицинские приложения, использующие оптоволоконные зонды, определены как потенциальные кандидаты для реализации предлагаемой системы.

Вступление

 

Источники диодных лазеров являются ключевыми компонентами для множества приложений, таких как дистанционное зондирование, промышленная обработка и биомедицина, поскольку они одновременно предлагают высокую выходную оптическую мощность, низкое энергопотребление и компактный размер при разумно низкой стоимости.

 

Примечательно, что источники полупроводниковых лазеров ближнего инфракрасного диапазона имеют несколько ключевых преимуществ по сравнению с традиционными твердотельными лазерами для функциональной биомедицинской визуализации: способность сочетать мощность источников с несколькими длинами волн в компактной конструкции, надежность, портативность, низкое энергопотребление, более высокая частота повторения ( кГц), и относительно невысокая стоимость.

 

Поэтому в приложениях, ориентированных на биомедицинскую визуализацию, требующую проникновения света за пределы оптического диффузионного предела (до 1 мм) и высокого спектрального разрешения изображения (<50 мкм (Xia et al., 2014), диодные лазерные источники часто выбираются среди доступных в настоящее время Следовательно, они становятся все более популярными для приложений биомедицинской визуализации, таких как фотоакустическая томография (PAT) и эндоскопия (PAE), оптическая когерентная томография (OCT) и диффузной оптической визуализации (DOI). Квазидиффузионные и баллистические эффекты, возникающие в сильно рассеивающих тканях, вводят основные ограничения в пространственном разрешении и глубине приложений для получения изображений, требующих более высокого вклада оптической мощности для достижения больших глубин проникновения.Требования к высокой мощности для достижения более глубокого проникновения в плотные цели и ограничения небольшого размера могут быть удовлетворены с помощью микроизготовленных массивов излучателей диодных лазеров, таких как стержни и стопки диодных лазеров, которые излучают высокую пиковую мощность в спектре между 700 нм и 1100 нм (ближний инфракрасный диапазон), где мягкие ткани вызывают низкое затухание. Обычно луч, излучаемый этими источниками, должен быть сфокусирован в небольшом пятне, а затем введен в оптическое волокно для достижения высокой плотности энергии в очень маленьких сердцевинах волокна (обычно <1 мм). Когда требуется большее количество оптической мощности, несколько стержней диодных лазеров могут быть расположены вертикально, чтобы сформировать стопку диодных лазеров. Пакеты диодных лазеров обычно изготавливаются с шагом около 1,8 мм между стержнями, хотя они могут быть больше, чтобы можно было прикрепить микролинзы FAC непосредственно к мини-каналу радиатора через стеклянную подставку. Однако высокий астигматизм, проявляемый этими лазерными источниками в дальней зоне, подразумевает необходимость использования оптимизированной системы формирования луча для перегруппировки светового луча и достижения эффективного соединения волокна. Качество луча тесно связано с эффективностью оптической системы по фокусировке светового луча на пятне малого размера на входе в оптоволокно и выражается через произведение параметров луча (BPP). Это обычный параметр, используемый для количественной оценки гомогенизации пучка между быстрой и медленной осями, и он должен быть меньше, чем у волокна, чтобы обеспечить эффективную связь пучка. Еще один важный параметр, заслуживающий изучения, - это продолжительность действия, выраженная в единицах квадрата длины, которая количественно определяет, сколько места занимает свет в пространстве и по углу. По сути, он измеряет пропускную способность оптической системы по передаче света в оптоволокно. Математически это произведение площади источника и телесного угла, на который распространяется свет, излучаемый из этой области. Значение etendue растет с увеличением площади источника и телесного угла. Фундаментальное свойство etendue - это то, что оно сохраняется в оптической системе; это означает, что на входе в оптическое волокно он не может быть меньше выхода в плоскости истока.

 

В этой статье представлен инновационный метод формирования луча, смоделированный в Zemax, для перегруппировки и объединения луча шести многоспектральных диодных лазерных пакетов в оптическое волокно с диаметром сердцевины 1 мм. Точнее, в этой конструкции моделируются шесть диодных лазерных пакетов с 19 излучателями, излучающие наносекундные импульсы в спектре от 790 до 980 нм.

 

Схема соединения, предложенная в этой работе, может снизить размер и стоимость производства по сравнению с другими ранее предложенными схемами. В предыдущих работах авторы включили системы преобразования луча (BTS, т.е. две линзы FAC с крутилкой луча) для перегруппировки луча нескольких диодных лазерных стержней в мультиспектральном пространстве. схема. Недавние исследования предложили инновационный метод формирования луча для гомогенизации качества луча двух пакетов диодных лазеров. Вместо этого в этой работе мы расширяем эту технику до установки с шестью длинами волн, используя как реалистичные, так и индивидуальные элементы, и подробно описываем формирование луча вблизи источников с использованием комбинации линз FAC и твистеров луча для коллимации и гомогенизации расходящегося светового луча одиночных стержней. В этой работе мы используем линзы FAC и твистеры луча для коллимации и гомогенизации астигматического луча отдельных полос, и мы расширяем эту конструкцию до установки, состоящей из шести диодных лазерных стеков. Поляризационные сумматоры луча используются для разделения лучей каждого пакета диодных лазеров по вертикальной оси, а пакеты кварцевых пластин для перестановки каждой пары соседних длин волн по горизонтальной оси путем встраивания одного луча в неосвещенные области другого по вертикали. Установка, представленная в этой работе, предназначена для использования шести 8-стержневых диодных лазерных стопок, расположенных на расстоянии 8 мм друг от друга, что позволяет позиционировать микрооптические элементы, используемые для симметризации пучка. Затем мультиспектральные источники комбинируются с отражающими и дихроичными зеркалами с селективными полосами отражения и пропускания соответственно.

 

Наконец, дублет цилиндрических линз фокусирует луч в оптическое волокно с диаметром сердцевины 1 мм и NA 0,5. Минимальный диаметр сердцевины волокна ограничен размером пучка по вертикальной оси. Этот метод улучшает симметрию выходного луча с точки зрения отношения BPP. В результате достигается заметная эффективность связи волокна (89%) и максимальная плотность мощности ~ 0,73 МВт / см2 на выходе волокна, что полезно для приложений получения мультиспектральных изображений.

Оптическая установка

 

В случае диодных лазерных стержней уже сообщалось о полезности BTS в качестве элементов формирования луча. Случай, когда несколько стержней диодных лазеров (например, стопка диодных лазеров) явно требует дальнейшего оптического управления. Поляризационные сумматоры луча и стопки кварцевых пластин используются с добавлением микрооптических твистеров в качестве элементов гомогенизации луча между быстрой и медленной осями. В целом лазер становится мультиспектральным источником (790–980 нм) с довольно сложным профилем луча. Индивидуальные лучи каждого стержня коллимируются вдоль быстрой оси с помощью микролинз FAC рядом с источниками. После этого полученные коллимированные пучки гомогенизируются с помощью твистеров. На выходе пучки коллимируются по вертикальной оси, а затем делятся пополам поляризационными сумматорами пучков, принцип действия которых уже был объяснен. Сумматоры поляризационных пучков состоят из параллельной четырехугольной призмы (32 мм × 32 мм × 7 мм с наклоном 45 ), на входную поверхность которой нанесена полуволновая пластинка, и треугольной призмы (32 мм × 32 мм × 7 мм). Точно так же лучи, исходящие из стопок диодных лазеров, делятся пополам с помощью сумматоров поляризационных лучей по вертикальной оси, а затем каждая пара соседних длин волн объединяется с помощью стопок кварцевых пластин (19 мм × 4 мм, рис. 3) путем встраивания одного луча в темных областях другого по вертикальной оси. Это требует размещения каждого пакета диодных лазеров на высоте, отличной от соседнего, и мы рассчитали, что минимальное расстояние, обеспечивающее эффективное внедрение пучка, составляет 4 мм (т.е. половина шага стержня). Пакеты кварцевых пластин объединяют выходные лучи двух соседних пакетов диодных лазеров. Для достижения полного внутреннего отражения каждый пакет кварцевых пластин представляет собой пластину-параллелограмм с острым углом 45 . Пакеты кварцевых пластин состоят из 5 пар пластин-параллелограммов, толщина которых выбрана равной 4 мм (т. е. половина шага стержня), так что неосвещенные области на вертикальной оси могут быть наполненным светом. Расстояние между двумя пакетами диодных лазеров по горизонтальной оси составляет 11,2 мм. Ширина луча после поляризационного сумматора лучей составляет 7,8 мм, поэтому расстояние между двумя соседними лучами составляет 19 мм.

Это означает, что длина L каждой пластины составляет 19 мм, чтобы лучи от двух диодных лазерных пакетов могли распространяться по одному и тому же оптическому пути. Моделируются шесть диодных лазерных стеков с 19 излучателями от Quantel (модель QD-Qxyzz-BS). Шесть пакетов диодных лазеров, расположенных попарно следующим образом: 790 нм (синий) и 808 нм (зеленый), 940 нм (пурпурный) и 980 нм (голубой), 830 нм (красный) и 915 нм (желтый). Кроме того, оптические элементы, такие как BTS (первые два элемента BTS-HOC 200-400, Limo GmbH), два отражающих зеркала и одно из дихроичных зеркал также были выбраны из каталогов. Однако сумматоры поляризационных пучков, стопки кварцевых пластин и второе дихроичное зеркало (коэффициент отражения R> 95% для 830 нм ≤ ≤ 915 нм и пропускание T> 95% при 790 нм 808 нм, 940 нм и 980 нм были произвольно смоделированы в Zemax). Фокусирующие цилиндрические линзы (LJ1728L1-B и LJ1258L1-B, Thorlabs Inc.) и оптическое волокно также были взяты из каталога.

Результаты и обсуждение

 

Как ранее обсуждалось, оптимизация формы луча требует оценки BPP как по быстрой, так и по медленной осям. Он определяется как произведение радиуса перетяжки на половину углового расхождения луча вдоль соответствующей оси. Соответственно, BPP вдоль быстрой оси (BPPx) и медленной оси (BPPy) определяются как и, соответственно. Для достижения эффективного оптоволоконного соединения луча значение полного произведения параметров луча на входе волокна не должно превышать значение (тогда как и NA - диаметр сердцевины волокна и числовая апертура соответственно).

 

В нашей конструкции пучок, сфокусированный на входе волокна, имеет размер 860 380 мкм и половину расходимости 210,1 108,7 мрад. Таким образом, отношение BPP (т.е. /) на входе оптического волокна составляет ~ 4,374, а общее значение составляет 92,69 мм мрад. Это означает, что луч может быть эффективно направлен в многомодовое волокно с диаметром сердцевины 1 мм и N.A. = 0,5. Фактически, учитывая числовую апертуру волокна 0,5. Напротив, волокно с диаметром сердцевины 800 мкм и N.A. = 0,22 будет иметь 88,698 мм мрад, что несовместимо с условием эффективного соединения волокна.

 

Чтобы проверить наши результаты, давайте посмотрим на еще один важный параметр - etendue. Длина источника света должна быть меньше, чем длина входа волокна, так что где и - площади источника света и поперечной поверхности волокна, соответственно, тогда как и - телесные углы, образуемые лучом, излучаемым источником и сфокусированным в волокно пучком соответственно.

 

Мы вычисляем площадь одной полосы как, где - коэффициент заполнения луча, а - отношение ширины эмиттера к шагу эмиттера. Таким образом, площадь стопки равна, где - коэффициент заполнения луча и - отношение между шириной излучателя (принимаемой равной 1 мкм) и шагом стержня. Что касается углов, то они делятся на быструю и медленную оси, поэтому необходимо выразить их через эквивалентный телесный угол.  Следовательно, значения телесных углов равны 3007,2 мрад и 2838,3 мрад соответственно, и условие сохранения непрерывности выполняется.

 

Асимметричный пучок размером 860 380 мкм на входе в оптоволокно, при этом ширина пучка на быстрой оси значительно больше, чем на медленной оси. Это связано со значительной разницей в размерах до фокусировки луча и одновременно с хроматическими аберрациями. После 20 см распространения в волокне симметризация луча на выходе волокна значительно улучшается, в результате чего получается круговой профиль. Однако после выхода волокна эффективность связи по мощности составляет ~ 89%, а максимальная плотность мощности составляет ~ 0,73 МВт / см2. Полная мощность, вычисленная на входе волокна, составляет ~ 1996 Вт, а на выходе - ~ 1776 Вт.

В заключение

 

В этой работе был предложен инновационный, компактный и эффективный дизайн формирования луча, смоделированный в Zemax. Была продемонстрирована гомогенизация пучка шести 8-стержневых диодных лазерных пакетов с использованием нескольких оптических элементов в установке. Линзы FAC и твистеры используются для перестановки луча каждого отдельного стержня. В частности, добавление поворотников луча в качестве элементов формирования луча считается ключевым решением для симметризации луча, когда требуется эффективное оптоволоконное соединение больших массивов диодных лазеров, поэтому коэффициент BPP значительно снижается. Шесть лучей, излучаемых отдельными пакетами диодных лазеров, уменьшаются в размере с помощью поляризационных сумматоров пучков и объединяются в многоволновой пучок с пакетами кварцевых пластин и дихроичными зеркалами. Наконец, используется дублет из цилиндрических линз для фокусировки комбинированного многоспектрального луча в оптическое волокно с диаметром сердцевины 1 мм и числовой апертурой 0,5. Расчеты показывают, что максимальная плотность мощности на выходе волокна составляет ~ 0,73 МВт / см2, что дает эффективность связи 89%.

 

Результаты показывают потенциал предложенной топологии для приложений, где мощные многоспектральные лучи подключаются к оптическим волокнам. В частности, это может принести большую пользу приложениям биомедицинской визуализации, таким как фотоакустическая томография и эндоскопия. В связи с этим авторы приглашают исследовательские группы с должным образом оснащенным оборудованием для проведения экспериментальной проверки представленной здесь конструкции.