Laser couplé à fibrefait référence au laser utilisant une fibre de verre dopée avec des éléments de terres rares comme milieu de gain.

Il existe deux manières principales pour que le signal optique du laser pénètre dans la fibre : le couplage direct et le couplage de lentille, et le couplage de lentille est divisé en couplage à lentille unique et couplage à plusieurs lentilles. Une efficacité de couplage supérieure peut être obtenue en utilisant un couplage de lentille plutôt qu'un couplage direct. Le principal avantage du couplage à double lentille est que la tolérance peut être dispersée de sorte que les composants dans le chemin optique peuvent avoir un espace de déplacement plus grand.

Voici cinq questions pratiques sur le couplage fibre

1. Quand peut-on utiliser NA pour estimer avec précision l'angle de réception de la fibre ?

L'angle de réception maximal d'une fibre multimode peut être estimé avec précision par l'ouverture numérique (NA), mais cette relation n'est pas applicable à la fibre monomode.La relation entre NA et l'angle de réception maximal (θmax) peut être calculée par optique géométrique. Voir la figure suivante pour la formule. Si la lumière incidente est considérée comme un rayon, θmax représente la capacité de la fibre à collecter la lumière hors axe : les rayons (rouge et rose) avec un angle incident inférieur ou égal à θmax subissent une réflexion interne totale (TIR) ​​à l'interface entre le cœur et la gaine, et sont voués à se propager vers l'avant dans le cœur. Les rayons avec un angle incident supérieur à θmax (bleu) sont finalement perdus en raison de la réfraction.

Angles d'incidence multiples et mode fibre

Les rayons d'angle incident inférieur ou égal à θmax seront couplés à l'un des modes guides de la fibre multimode. En général, plus l'angle d'incidence est petit, plus l'ordre de mode de la fibre excitée est faible. La majeure partie de l'énergie est concentrée dans le mode d'ordre inférieur près du centre, et les rayons normalement incidents excitent le mode d'ordre le plus bas. Voici un schéma de la propagation de deux fibres optiques multimodes.

La fibre monomode est différente

NA calculé par la formule ci-dessus n'est pas l'angle d'incidence maximal de la fibre monomode, il ne peut donc pas caractériser la capacité de réception optique de la fibre monomode. Seul le mode de guidage le plus bas excité par la lumière incidente de 0- degrés existe dans la fibre monomode, et le diagramme de propagation est le suivant.

Il n'est pas précis d'estimer l'angle de divergence de la sortie de la fibre monomode par NA. Dans ce cas, le faisceau diverge en raison de la diffraction, et l'optique géométrique ne tient pas compte de cet effet, donc l'optique ondulatoire est nécessaire.

2. Pourquoi le MFD est-il un paramètre important pour le laser couplé à fibre monomode ?

Lorsque le faisceau se propage le long de la fibre monomode, il conserve un profil d'intensité proche de la forme gaussienne. La largeur du profil peut être caractérisée par le diamètre du champ de mode (MFD), c'est-à-dire la largeur de la plage lorsque l'intensité chute à 1/e² de la valeur de crête. Règle empirique : le MFD est d'environ 1,15 fois le diamètre du cœur de la fibre.

Plus la lumière incidente est proche de la lumière gaussienne, plus l'efficacité de couplage est élevée. Si la lumière incidente est gaussienne et que la taille du faisceau est égale à la fibre MFD, une efficacité de couplage élevée peut être obtenue. En substituant MFD au diamètre de taille dans la formule du faisceau gaussien, les paramètres de couplage et l'angle de divergence de la fibre monomode peuvent être calculés avec précision.

Déterminer les paramètres de couplage

La fibre monomode n'a qu'un seul mode de guidage, qui peut être décrit par la fonction de Bessel. En raison de la forme similaire, l'utilisation de la fonction gaussienne peut simplifier le motif de fibre tout en fournissant des résultats précis. La figure ci-dessous montre le profil d'intensité de mode d'une fibre monomode, dans laquelle la lumière incidente ne peut être couplée au mode guide que si elle y correspond.

Laser couplé à fibre monomode

Pour améliorer l'efficacité de couplage de la fibre monomode, il est nécessaire que la taille du faisceau gaussien incident soit située à l'extrémité de la fibre, et que l'intensité de la taille et l'intensité du mode correspondent et coïncident. Si le diamètre de taille du faisceau n'est pas égal au MFD, si le profil d'intensité du faisceau change ou dévie, ou si le faisceau n'est pas incident axialement le long de la fibre, ces conditions réduiront l'efficacité du couplage.

3. NA peut-il estimer avec précision l'angle de divergence de la sortie de la fibre monomode ?

Il y a une grande erreur dans l'estimation de l'angle de divergence de la fibre monomode en utilisant NA. Une méthode plus précise consiste à utiliser la théorie de propagation de faisceau gaussien. La formule approximative pour calculer l'angle de divergence en champ lointain de la fibre monomode est la suivante, et le résultat est l'angle de divergence ou l'angle de réception en radians.

La sortie de la fibre monomode est similaire à la lumière gaussienne, par exemple, l'angle de divergence calculé par l'optique géométrique a un grand écart. L'angle de divergence calculé par l'optique géométrique est égal à arcsin(NA), qui ne s'applique qu'à la fibre multimode générale.

La fibre monomode délivre un faisceau gaussien. La distance de Rayleigh et le rayon du faisceau au point z sont calculés respectivement par les deux formules suivantes.

Par conséquent, l'angle de divergence du faisceau de sortie de la fibre monomode peut être simulé avec précision, comme le montre la figure ci-dessous. Évidemment, il y a une grande erreur dans le calcul des angles de divergence en utilisant NA selon la théorie de l'optique géométrique. Dans cet exemple, NA et MFD sont 0.13 et 6,4 µm, respectivement. La longueur d'onde de fonctionnement est de 980 nm et la distance de Rayleigh est de 32,8 µm.

Comme on peut le voir sur la figure, la divergence du faisceau n'est pas linéaire dans la distance de Rayleigh mais peut être considérée comme approximativement linéaire dans le champ lointain. Les deux angles marqués sur la figure sont calculés à partir de la pente de leurs courbes. Si la formule d'approximation de champ lointain ci-dessus est utilisée pour calculer, le résultat est converti en un angle de 5,61 degrés, avec une petite erreur.

4. Quels sont les facteurs qui affectent l'efficacité de couplage de la fibre monomode ?

L'efficacité de couplage de la fibre monomode peut être améliorée en ajustant l'angle, la position et le profil d'intensité du faisceau incident. En supposant que la face d'extrémité de la fibre est plate et perpendiculaire à l'axe, le faisceau peut atteindre l'efficacité de couplage la plus élevée si les conditions suivantes sont remplies :

• Profil d'intensité gaussien

• Incidence positive de la face d'extrémité de la fibre

• La taille est située à l'extrémité de la fibre

• Alignez le centre de la taille avec un centre central

• Le diamètre de taille est égal à la fibre MFD

Les sources lumineuses peuvent limiter l'efficacité du couplage

Si le laser n'émet que le mode transversal d'ordre le plus bas, alors la sortie est approximativement un faisceau gaussien, qui peut être efficacement couplé dans une fibre monomode. Cependant, l'efficacité de couplage des lasers multimodes ou des sources lumineuses à large bande avec des fibres monomodes est très faible, et la majeure partie de la lumière fuira même si elle est focalisée sur la zone centrale. En effet, seule une partie de la lumière de la source multimode correspond au motif de guide de fibre monomode, de sorte que la source multimode peut fournir une efficacité de couplage plus élevée avec la fibre multimode.

5. L'angle de réception maximal de la fibre multimode est-il fixe ?

Le problème dépend du type de fibre. Pour les fibres multimodes à saut d'indice, l'angle de réception maximal de chaque point du noyau est le même. Cependant, seul le centre du cœur de la fibre multimode à gradient d'indice peut fournir l'angle d'incidence maximal. Plus on s'éloigne du centre, plus l'angle de réception maximum est petit et l'angle de réception maximum près de l'interface de la gaine tend vers 0.

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