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핵심에서, 섬유 결합 레이저 다이오드는 표준 레이저 다이오드를 통합하는 시스템 (전기 전류가 통과 할 때 조명을 방출하는 반도체 장치)을 광섬유로 통합하는 시스템입니다. 중요한 단계는 '커플 링 '공정으로, 레이저 다이오드의 작은 조리개에서 방출 된 발산 빔이 정확하게 집중되어 광학 섬유의 훨씬 작은 코어에 정렬됩니다. 이 통합은 베어 레이저 다이오드를 사용하는 것보다 몇 가지 중요한 이점을 제공합니다.
레이저 다이오드가 작은 손전등으로 빠르게 퍼지는 빔을 방출한다고 상상해보십시오. 유용하지만,이 발산 빔은 거리를 정확하게 또는 복잡한 광학 설정으로 지시하기가 어렵습니다. 반대로 광섬유는 전체 내부 반사의 원리 덕분에 최소한의 손실로 길이를 따라 조명을 안내하는 엄청나게 효율적인 조명 파이프처럼 작용합니다. 레이저 다이오드를 섬유에 커플 링하여 두 세계의 최고를 얻습니다 : 레이저 다이오드의 작고 효율적인 광 생성 및 섬유의 방향성 저장 전송 기능.
이 커플 링은 사소하지 않습니다. 다이오드의 출력에서 섬유의 코어로 전달 된 빛의 양을 최대화하기 위해 세심한 정렬 및 종종 렌즈 (렌즈)가 필요합니다. 손실을 최소화합니다. 이 전달의 효율은 중요한 성능 메트릭이며, 종종 커플 링 효율로 표현됩니다 (디오드에 의해 방출되는 총 전력 대 섬유에 대한 전력의 비율).
왜 '섬유 커플 링 '접근 방식은 무엇입니까?
레이저 다이오드와 함께 광 섬유를 사용하면 몇 가지 실질적인 과제가 해결됩니다.
사용 편의성 및 통합 : 섬유는 유연하며 복잡한 시스템으로 쉽게 라우팅 할 수있어 더 큰 장치 내에서 섬세한 레이저 다이오드 자체의 정확하고 고정 된 정렬이 필요하지 않습니다.
개선 된 빔 품질 및 시준 : 섬유는 본질적으로 빛을 시화하여 원시 다이오드 방출과 비교하여보다 균일하고 예측 가능한 출력 빔 프로파일을 제공합니다.
환경 보호 : 섬유는 빛을 감싸고 외부 오염 물질로부터 보호하고 다양한 환경에서 안정적인 성능을 보장합니다.
장거리 변속기 : 섬유는 레이저 라이트가 최소한의 감쇠 (신호 손실)로 상당한 거리를 이동할 수 있으며, 통신과 같은 응용 분야에 중요합니다.
멀티플렉싱 : 다중 섬유를 번들로 연결하거나 연결하여 단일 경로 또는 커넥터를 통해 여러 레이저 빔 또는 신호를 라우팅 할 수 있습니다.
이러한 기본 사항을 이해하면 이러한 다재다능한 구성 요소의 다양한 유형과 응용 프로그램을 탐색하기위한 단계가됩니다.
섬유 결합 레이저 다이오드는 모 놀리 식 카테고리가 아닙니다. 그것들은 다양한 형태로 제공되며, 주로 코어의 레이저 다이오드 유형과 결합 된 섬유의 특성에 따라 차별화됩니다. 가장 일반적인 두 가지 차이점은 섬유 유형을 기반으로합니다 : 단일 모드 및 멀티 모드.
단일 모드 섬유는 매우 작은 코어 직경을 가지고 있습니다 (일반적으로 표준 통신 섬유의 경우 약 9 마이크로 미터). 이들은 광에 대한 단일 전파 모드 만 지원하도록 설계되었으며, 이는 섬유 끝에서 빠져 나오는 매우 집중적이고 일관된 출력 빔을 초래합니다. 이러한 작은 코어에 효율적으로 빛을 부합하려면 매우 정확한 정렬 및 고품질 광학이 필요하며, 종종 특수 비구 렌즈가 포함됩니다.
주요 특성 :
높은 빔 품질 : 출력 빔은 잘 정의 된 가우스 프로파일, 낮은 발산 및 높은 공간 일관성을 가지고 있습니다. 이것은 낮은 빔 매개 변수 제품 (BPP)에 의해 정량화됩니다.
좁은 스펙트럼 너비 : 일반적으로 좁은 방출 스펙트럼을 갖는 레이저 다이오드와 함께 사용되며, 높은 스펙트럼 순도가 필요한 응용 분야에 중요합니다.
낮은 전력 취급 : 소형 코어 영역으로 인해 전력 밀도가 높아서 다중 모드 설정에 비해 최대 출력 전력을 제한 할 수 있으며 다이오드 및 섬유 엔드 페이스의 신중한 열 관리가 필요할 수 있습니다.
응용 분야 : 단일 모드 섬유 결합 다이오드는 현대 통신의 중업으로, 대역폭이 높은 장거리 데이터를 운반합니다. 이들은 또한 고정밀 간섭계, 계측, 미세 빔 포커싱이 필요한 LIDAR 시스템 및 작고 정확한 지점이 필요한 안과 또는 Dermatoscopy와 같은 특정 의료 응용 분야에서도 필수적입니다.
멀티 모드 섬유는 더 큰 코어 직경을 갖습니다 (일반적으로 50 또는 62.5 마이크로 미터, 다른 크기는 존재 함). 그들은 여러 전파 모드를 지원할 수 있습니다. 즉, 광선은 섬유 내의 여러 경로를 따라 이동할 수 있습니다. 이로 인해 빛이 단일 모드 섬유에 비해 광섬유를 빠져 나올 때 더 높은 발산으로 더 넓은 출력 빔 프로파일이 발생합니다.
주요 특성 :
낮은 빔 품질 : 출력 빔은 일관성이 떨어지고 다중 모드로 인해 차이가 높습니다. 이것은 더 높은 BPP에 반영됩니다.
더 높은 전력 처리 : 더 큰 핵심 영역은 손상 임계 값에 도달하기 전에 더 높은 총 전력 전송을 허용하여 고전력 응용에 적합합니다.
더 간단한 커플 링 : 더 큰 코어로 분산 다이오드 빔을 정렬하는 것은 일반적으로 단일 모드 커플 링보다 작은 오정렬에 더 쉽고 덜 민감하여 잠재적으로 제조 비용을 줄입니다.
응용 분야 : 멀티 모드 섬유 결합 다이오드는 레이저 절단, 용접 및 마킹과 같은 산업용 레이저 처리에 널리 사용되며, 높은 전력이 종종 빔 품질보다 더 중요합니다. 또한 고형 상태 또는 광섬유 레이저, 광섬유 센서 (특히 모달 분산에 덜 민감한) 및 짧은 거리에 걸친 일부 데이터 통신 응용 분야 용 응용 프로그램을 펌핑하는 데 사용됩니다.
기타 유형 및 변형 :
단일 모드 대 멀티 모드 구별 외에도 다음과 같습니다.
조정 가능한 섬유 결합 레이저 다이오드 :이 장치는 출력 파장을 조정하는 메커니즘 (외부 공동 또는 격자와 같은)을 통합하여 단일 모듈이 다양한 스펙트럼 라인을 덮을 수 있습니다. 이것은 다른 재료 또는 측정에 다른 파장이 필요한 분광 및 감지 응용 분야에서 가치가 있습니다.
고전력 섬유 결합 다이오드 : 일반적으로 산업 공정을 요구하기 위해 상당한 광학 전력 (수십 또는 수백 와트)을 전달하도록 설계된 다중 모드 장치입니다. 그들은 종종 물 냉각과 같은 고급 열 관리 기능을 통합하여 생성 된 실질적인 열을 소비합니다.
파장 안정화 된 섬유 결합 다이오드 : 이들은 섬유 내에서 섬유 브래그 그레이팅 (FBG)과 같은 기술을 사용하여 디오드로 매우 좁은 파장 밴드 만 반사하여 특정 파장에 방출을 효과적으로 잠그며, 정밀 적용에 중요합니다.
이러한 다양한 유형을 이해하면 작업에 적합한 도구를 선택하는 데 도움이됩니다. 필요한 전력, 빔 품질, 파장 및 응용 거리와 같은 요소 균형을 잡는 데 도움이됩니다.
섬유 결합 레이저 다이오드의 다양성은 레이저 다이오드와 광 섬유의 결합 된 강도에서 비롯됩니다. 통제되고 일관된 조명을 효율적이고 유연하게 전달하는 능력은 다양한 현대 기술에서 필수 불가결하게 만듭니다.
이것은 아마도 가장 두드러진 응용 프로그램입니다. 단일 모드 섬유 결합 다이오드는 장거리 및 고속 데이터 네트워크의 중추입니다. 이들은 광섬유 인프라로 데이터를 운반하는 조명 신호를 효율적으로 시작하여 최소한의 신호 분해로 광대 한 거리에서 높은 대역폭 통신을 가능하게합니다. 그들의 정확한 파장 제어 및 높은 커플 링 효율은 복잡한 네트워크 환경에서 신호 무결성을 유지하는 데 가장 중요합니다.
제조에서, 다중 모드 섬유 결합 다이오드는 금속 및 플라스틱에서 복합재에 이르기까지 다양한 재료의 레이저 절단, 용접, 드릴링 및 마킹에 널리 사용됩니다. 섬유를 통해 전달되는 고전력은 빠른 재료 제거 또는 융합을 허용하는 반면, 섬유의 유연성은 복잡한 부분 형상 및 원격 처리를 가능하게합니다. 단일 모드 버전은 Micro-Welding 또는 Scribing과 같은보다 정확한 작업에 사용됩니다.
섬유 결합 다이오드가 제공하는 정밀 및 제어는 의료 응용 분야에서 매우 중요합니다. 그것들은 정밀 조직 절제 또는 응고를 위해 레이저 수술에 사용되며, 섬유질의 어려운 해부학 적 위치에 도달하는 능력에 의해 안내됩니다. 치과에서는 공동 준비 또는 껌 처리와 같은 절차를 지원합니다. 이들은 내시경과 같은 의료 영상 시스템에 필수적이며, 조명 전달 또는 유연한 섬유를 통해 분광 분석을 가능하게합니다. 저전력 다이오드는 광 역학 요법 및 특정 진단 도구에 사용됩니다.
섬유 결합 다이오드는 다양한 감지 시스템의 주요 구성 요소입니다. 섬유와의 통합은 섬유 길이를 따라 온도, 압력, 변형 또는 화학적 농도와 같은 파라미터를 측정하기위한 분산 또는 점 센서를 생성 할 수 있습니다. 대도시에서, 이들은 치수, 거리 또는 표면 프로파일의 고정밀 측정에 사용되는 간섭계에 대한 안정적인 광원 역할을합니다.
분야의 연구원들은 수많은 실험을 위해 섬유 결합 다이오드를 활용합니다. 그들은 분광법, 현미경, 양자 광학 실험 및 원자 물리 연구에 안정적, 조정 가능 또는 고출력 광원을 제공합니다. 섬유를 실험 설정에 쉽게 통합 할 수 있으면 복잡한 광학 정렬이 단순화됩니다.
눈에 띄지 않지만 섬유 커플 링 다이오드는 소비자 장치에서 틈새 역할을 찾습니다. 자율 주행 차량 또는 고급 운전자 보조 시스템 (ADAS)의 특정 LIDAR 시스템에서는 거리 감지의 빛을 제공 할 수 있습니다. 또한 대형 전자 어셈블리 또는 특수 이미징 장치 내의 고속 데이터 링크에 관여 할 수도 있습니다.
이러한 응용 분야의 폭은 현대 기술에서 섬유 결합 레이저 다이오드의 근본적인 중요성을 강조하며, 수많은 분야에서 혁신을위한 중요한 인 에이 블러 역할을합니다.
레이저 절단은 현대식 제조의 초석 기술로, 광범위한 재료를 처리하기위한 정밀, 속도 및 다양성을 제공합니다. 섬유 결합 레이저 다이오드, 특히 고출력 멀티 모드 변형은이 도메인에서 점점 더 중요 해지고 있으며, 종종 산업 섬유 레이저의 광원 또는 직접 다이오드 절단 시스템 자체로서 작용합니다.
섬유 결합 다이오드가 레이저 절단을 활성화하는 방법 :
전력 전달 : 레이저 절단 (특히 직접 다이오드 시스템)에서 섬유 결합 다이오드의 주요 역할은 절단 헤드에 필요한 광학 전력을 전달하는 것입니다. 종종 멀티 모드 구성에서 고출력 레이저 다이오드는 강렬한 빛을 생성합니다. 이 빛은 금속 및 기타 재료 절단에 필요한 높은 전력 레벨을 처리 할 수있는 강력한 다중 모드 섬유로 결합됩니다. 섬유는 도관으로서 작용 하여이 전력을 절단 노즐로 효율적으로 전달합니다.
빔 형성 및 초점 : 섬유 자체는 약간의 시준을 제공하지만, 절단에 필요한 작은 지점에 비해 섬유 끝의 출력은 여전히 비교적 크다. 절단 헤드 어셈블리에는 전형적으로 렌즈 또는 특수 광학이 포함되어있어 광섬유를 빠져 나가는 빔을 공작물 표면에서 매우 작은 직경으로 집중시킵니다. 이 초점의 품질은 섬유에서 나오는 빔 매개 변수에 의해 영향을받으며, 이는 섬유의 유형 및 커플 링 효율에 따라 다릅니다.
유연성 및 통합 : 광섬유를 통해 고급 레이저 소스 (다이오드 모듈)는 절단 헤드에서 원격으로 위치 할 수 있습니다. 이 분리는 실제적인 작동에 중요합니다. 이를 통해 부피가 크고 잠재적으로 열 발생하는 다이오드 모듈이 제어 된 환경에 배치 될 수 있으며, 섬유 출력 및 초점 광학 만 포함 된 경량 절단 헤드는 절단 기계의 갠트리에 의해 정확하게 조종 할 수 있습니다. 이 설정은 기계 설계를 단순화하고 진동을 줄이며 전반적인 시스템 신뢰성을 향상시킵니다.
직접 다이오드 절단 대 섬유 레이저 펌핑 : 섬유 커플 링 된 다이오드가 섬유 레이저를 펌핑하는 직접 다이오드 절단과 시스템을 구별하는 것이 중요합니다. 직접 다이오드 절단에서 다이오드의 출력 (종종 808nm 또는 915nm/976nm)은 재료에 직접 집중됩니다. 광섬유 레이저 시스템에서, 멀티 모드 광섬유 결합 다이오드는 희귀 한 지구에 도핑 된 섬유 (보통 Ytterbium-doped)를 펌핑 한 다음, 더 재료 절단 친화적 인 파장 (약 1070-1100nm)에서 레즈를 펌핑합니다. 두 가지 접근 방식은 섬유 커플 링 다이오드를 활용하지만 직접 방법은 파이버 레이저에 비해 다른 빔 품질을 갖지만 더 높은 전기-광학 효율과 더 간단한 시스템 아키텍처를 제공 할 수 있습니다.
레이저 절단의 장점 :
고효율 : 광섬유 결합 다이오드 시스템, 특히 직접 다이오드 구성은 높은 전기-광학 변환 효율을 제공하여 운영 비용을 줄일 수 있습니다.
빠른 처리 : 고전력 전달은 많은 재료의 빠른 절단 속도를 가능하게합니다.
재료 다양성 : 광범위한 재료, 특히 금속을 절단하는 데 적합합니다.
시스템 단순성 (직접 다이오드) : 일부 전통적인 레이저 시스템에 비해 광학 구성 요소가 적 으면 신뢰성이 높아지고 유지 보수가 더 낮아질 수 있습니다.
레이저 절단에서 섬유 결합 레이저 다이오드의 역할을 이해하면 실질적인 영향을 강조하여 이론적 광자를 유형의 제조 기능으로 변환합니다.
많은 섬유 결합 레이저 다이오드는 단일 고정 파장에서 작동하지만 기술의 발전으로 인해 여러 파장에 걸쳐 빛을 방출 할 수있는 장치가 개발되었습니다. 이 다중 파장 기능은 새로운 가능성을 열고 다양한 응용 분야에서 특정 문제를 해결합니다.
다중 파장 작동 방식 :
섬유 커플 링 시스템에서 다중 파장 방출을 달성하는 데 몇 가지 접근법이 있습니다.
조정 가능한 레이저 다이오드 : 내장 튜닝 메커니즘 (외부 캐비티 다이오드 및 수직 캐비티 표면-방출 레이저 (통합 그레이팅)와 같은 레이저 다이오드를 사용하면 방출 파장이 특정 범위에서 전자적으로 조정 될 수 있습니다. 이 다이오드는 표준 기술을 사용하여 섬유 결합됩니다.
다중 다이오드 통합 : 단일 패키지에는 다중 레이저 다이오드가 포함되어 있으며 각각은 서로 다른 파장에서 방출됩니다. 내부 또는 외부 스위칭 메커니즘 (광학 스위치 또는 멀티플렉서와 같은)은 출력 섬유에 결합 된 다이오드의 빛을 선택할 수 있습니다.
하이브리드 시스템 : 단일 파장 광섬유 커플 링 다이오드는 비선형 광학 결정 (주파수 배가, 트리플링 등) 또는 광학 파라 메트릭 발진기 (OPOS)와 같은 외부 파장 변환 요소와 결합 될 수 있지만 간단한 '섬유 커플 링 다이오드 '및보다 복잡한 라저 시스템으로 이동할 수 있습니다.
멀티 파장의 이점 및 응용 :
재료 처리 최적화 : 다른 재료는 특정 파장에서 가장 효율적으로 빛을 흡수합니다. 다중 파장 섬유 결합 다이오드를 대상 재료의 최적 파장으로 조정하거나 전환하여 절단, 용접 또는 절제 효율 및 품질을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 플라스틱은 980nm에서 더 잘 흡수 될 수있는 반면, 특정 금속은 808nm 또는 1064nm에서 더 효율적으로 처리 될 수 있습니다.
분광법 및 감지 : 많은 분석 기술은 화학 조성물 또는 물리적 특성을 식별하기 위해 특정 파장에서 빛을 갖는 재료를 프로브에 의존합니다. 조정 가능한 섬유 결합 소스는 스펙트럼을 가로 질러 빠르게 스캔하여 특성 흡수 또는 방출 라인을 통해 샘플에서 여러 구성 요소 또는 기능을 식별 할 수있게합니다.
의료 응용 : 다른 생물학적 조직 또는 발색단은 다양한 파장과 다르게 반응합니다. 다중 파장 능력은 의료 영상 (예 : 주변 조직과의 혈관 구별) 및 치료 적용 (예 : 특정 세포 또는 광 역학 요법을 대상으로하는)에서 가치가 있습니다.
통신 : 기본 변속기의 경우 덜 일반적이지만, 다중 파장 소스는 고용량 데이터 전송을 위해 서로 다른 파장의 다중 신호가 단일 섬유에 결합되는 밀도가 높은 파장 분할 멀티플렉싱 (DWDM) 시스템에서 중요합니다. 섬유 결합 조정 가능한 레이저는 이러한 시스템의 테스트 및 측정 장비의 주요 구성 요소입니다.
도전 과제 :
최적의 커플 링 광학이 파장에 따라 약간 변할 수 있으므로 다양한 파장에 걸쳐 우수한 커플 링 효율을 달성하는 것은 어려울 수 있습니다. 또한 튜닝 범위에서 안정적인 출력 전력 및 모드 특성을 유지하려면 레이저 다이오드와 커플 링 광학을 신중하게 설계해야합니다.
다중 파장으로 작업하는 기능은 광섬유 커플 링 레이저 다이오드의 유연성과 적용 가능성을 크게 향상시켜 Photonics Toolkit에서보다 다양한 도구를 만듭니다.
