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ファイバー結合レーザーダイオードは、標準のレーザーダイオードを統合するシステムです。これは、電流を通過するときに繊維とコヒーレント光を放出する半導体デバイスです。重要なステップは、レーザーダイオードの小さな開口部から放出される広がりビームが正確に焦点が絞られ、繊維の小さなコアに整列される「結合」プロセスです。この統合には、裸の金属レーザーダイオードを使用することよりもいくつかの重要な利点があります。
レーザーダイオードは非常に小さな懐中電灯であり、非常に迅速に広がる光のビームを発すると想像してください。便利ですが、そのような分散ビームは、距離または複雑な光学設定で正確に向けることが困難です。代わりに、繊維は、全体の内部反射の原理のおかげで、最小限の損失でその長さに沿って光を導く効率的な光チューブのように機能します。レーザーダイオードをファイバーに結合することにより、レーザーダイオードのコンパクトさ、効果的な光発生と繊維の方向性、低損失伝達能力など、両方の世界の最高を達成します。
この結合は小さくありません。慎重なアライメントが必要であり、多くの場合、特殊な光学系（レンズなど）を使用して、ダイオード出力からファイバーのコアに転送される光の量を最大化し、損失を最小限に抑えます。この転送の効率は、通常、結合効率（ダイオードから発する総電力に対するファイバーの比率）として表される重要なパフォーマンスメトリックです。
なぜ「ファイバーカップリング」メソッドを使用するのですか？
レーザーダイオードで繊維を使用すると、いくつかの実際的な課題が解決します。
簡単に使用して統合：ファイバーは柔軟性があり、複雑なシステムに簡単にルーティングでき、繊細なレーザーダイオード自体をより大きなデバイスに配置する正確で固定されたアライメントを排除できます。
ビームの品質と精度を向上させる：ファイバーは本質的にコリメートされ、透明であり、ファイバーは一次ダイオード放射よりも均一で予測可能な出力ビーム曲線を提供します。
環境保護：繊維は光を取り囲み、外部汚染物質から保護し、さまざまな環境で安定した性能を確保します。
長距離伝送：ファイバーにより、レーザー光は最小限の減衰（信号損失）で大幅な距離を移動できます。これは、通信などのアプリケーションにとって重要です。
多重化：複数の繊維をバンドルまたは接続でき、それにより、単一のパスまたはコネクタを介していくつかのレーザービームまたは信号をルーティングできます。
これらの基本を理解することは、これらの多機能コンポーネントのさまざまなタイプとアプリケーションを調査するための基盤となります。
繊維結合 レーザーダイオードは 、モノリシックなカテゴリではありません。それらはさまざまな形で現れ、主にレーザーダイオードのコアタイプと結合繊維のその特性によって区別されます。 2つの最も一般的な違いは、シングルモードとマルチモードのファイバータイプに基づいています。
シングルモードファイバーのコア直径は非常に小さい（9ミクロンの標準通信繊維は約9ミクロンです）。それらは、単一の繁殖モードの光のみをサポートするように設計されており、その結果、繊維端を離れる非常に濃縮されたコヒーレントな出力ビームが生じます。このような小さなコアに光を効果的に融合させるには、非常に正確なアライメントと高品質の光学系が必要であり、多くの場合、プロの非球面レンズが含まれます。
主な機能：
高ビーム品質：出力ビームには、透明なガウスプロファイル、低差、および高い空間的一貫性があります。これは、低ビームパラメーター積（BPP）によって定量化されます。
狭窄スペクトル幅：通常、狭い発光スペクトルを備えたレーザーダイオードで使用されますが、高スペクトル純度を必要とするアプリケーションにとって重要です。
低電力処理：コア領域が小さいため、電力密度が高いため、この電力密度は、マルチモードのセットアップと比較して最大出力電力を制限する可能性があり、ダイオードとファイバーエンド面の慎重な熱管理が必要になる場合があります。
アプリケーション：シングルモードファイバー結合ダイオードは、現代の通信の主要な主体であり、その帯域幅は高および長距離のキャリングデータです。また、高精度の干渉、計測、微細なビームを必要とするLIDARシステム、および眼鏡や皮膚鏡などの特定の医療用途でも重要です。
マルチモーダルファイバーは、コア直径が大きくなります（通常は50または62.5ミクロンですが、他のサイズは存在します）。それらは、伝播の複数のモードをサポートできます。つまり、光はファイバー内の複数の経路に沿って移動できます。これにより、出力ビームプロファイルが広くなり、シングルモードファイバーと比較して光が繊維を剥離すると、より大きな違いがあります。
主な機能：
ビーム品質の低下：複数のモードにより、出力ビームのコヒーレントが少なく、より高い違いがあります。これは、より高いBPPに反映されています。
高電力処理：コア領域が大きいほど、ダメージのしきい値に達する前に、より高い総力送信が可能になり、より高い電力アプリケーションに適しています。
よりシンプルなカップリング：分化したダイオードバンドルをより大きなコアと整列させることは、通常、シングルモードのカップリングよりも簡単で、わずかな不整合に対してより敏感で、製造コストが削減される可能性があります。
アプリケーション：マルチモードファイバー結合ダイオードダイオードは、レーザー切断、溶接、マーキングなどの産業レーザー処理で広く使用されており、通常はビーム品質よりも高出力が重要です。また、ソリッドステートまたはファイバーレーザーがポンピングされているアプリケーション、ファイバーセンサー（特にモーダル分散に敏感なもの）、およびより短い距離で特定のデータ通信アプリケーションを使用するアプリケーションでも使用されます。
その他のタイプと変更：
シングルモードとマルチモードの違いに加えて、遭遇する可能性があります。
調整可能なファイバー結合レーザーダイオード：これらのデバイスには、出力波長（外部キャビティや格子など）を調整するメカニズムが組み込まれているため、単一のモジュールが一連のスペクトルラインをカバーできます。これは、異なる材料または測定された波長が必要なスペクトルおよびセンシングアプリケーションで価値があります。
高電力繊維結合ダイオード：これらは、多くの場合、産業プロセスを要求するために重要な光学電力（10ワットまたは数百ワット）を提供するように設計されたマルチモードデバイスです。多くの場合、水冷などの高度な熱管理機能を組み合わせて、発生した大量の熱を放散します。
波長安定繊維結合ダイオード：これらは、ファイバー内でファイバーブラッグハプリング（FBG）を使用するための技術を使用し、ダイオードに戻す非常に狭い波長のみを反映して、それにより、その特定の波長に効果的にロックします。
これらのさまざまなタイプを理解することは、ジョブに適したツールを選択し、必要な電力、ビーム質量、波長、およびアプリケーション距離のバランスをとることができます。
繊維結合レーザーダイオードの汎用性は、レーザーダイオードと光ファイバーの強度の組み合わせに由来します。制御されたコヒーレントな光を効率的かつ柔軟に提供することができ、それらをさまざまな最新の技術で不可欠にします。
これは最も顕著なアプリケーションと言えます。シングルモードファイバー結合ダイオードは、長距離および高速データネットワークのバックボーンです。データによって運ばれる光学信号をファイバーインフラストラクチャに効果的にアクティブ化し、より大きな距離にわたって高い帯域幅通信を可能にし、信号削減を減らします。それらの正確な波長制御と高い結合効率は、複雑なネットワーク環境で信号の整合性を維持するために重要です。
製造業では、マルチモーダルファイバー結合ダイオードは、金属やプラスチックから複合材料まで、さまざまな材料のレーザー切断、溶接、掘削、マーキングに広く使用されています。繊維を介して送達される高出力は迅速に除去または融合できますが、繊維の柔軟性により、複雑なパーツジオメトリとリモート処理が可能になります。シングルモードバージョンは、マイクロウェルディングやスミアリングなどのより正確なタスクに使用されます。
繊維結合ダイオードによって提供される精度と制御は、医療用途で非常に評価されています。それらは、正確な組織アブレーションまたは凝固を行うためにレーザー手術で使用され、繊維が困難な解剖学的位置に到達する能力に依存します。歯の側面では、空洞の調製や歯肉治療などの手順を支援します。それらは内視鏡医療イメージングシステムの不可欠な部分であり、柔軟な繊維による照明を提供したり、スペクトル分析を可能にしたりします。低電力ダイオードは、光線力学療法と特定の診断ツールで使用されます。
ファイバー結合ダイオードは、さまざまなセンシングシステムの重要なコンポーネントです。繊維との統合により、分布またはポイントセンサーの作成により、繊維の長さに沿った温度、圧力、ひずみ、または化学濃度などのパラメーターを測定できます。計測では、寸法、距離、または表面プロファイルの高精度測定のための干渉計の安定した光源です。
学際的な研究者は、繊維結合ダイオードを使用して、さまざまな実験を行います。それらは、分光法、顕微鏡、量子光学実験、原子物理学研究のための安定した、調整可能または高出力光源を提供します。繊維を実験的なセットアップに統合しやすくなると、複雑な光学アライメントが簡素化されます。
繊維結合ダイオードもそれほど明白ではありませんが、消費者デバイスではニッチな役割も発見されています。これらは、距離に敏感なライトを提供する自動運転車または高度なドライバーアシスタンスシステム（ADA）の一部のLIDARシステムで使用できます。また、大規模な電子コンポーネントまたは特殊なイメージングデバイスの高速データリンクに参加することもできます。
これらのアプリケーションの幅は、無数の分野でのイノベーションの重要な推進力である最新のテクノロジーにおけるファイバー結合レーザーダイオードの基本的な重要性を強調しています。
レーザー切断は、幅広い材料を処理するための精度、速度、汎用性を提供する現代の製造における基礎技術です。ファイバー結合レーザーダイオード、特に高出力マルチモードバリアントは、このドメインでますます重要になっています。多くの場合、工業用ファイバーレーザーの光源、または直接ダイオード切断システム自体として。
ファイバー結合ダイオードでレーザーをカットする方法：
電力伝達：レーザー切断（特に直接ダイオードシステムで）におけるファイバー結合ダイオードの主な役割は、必要な光電力を切断ヘッドに伝達することです。通常、マルチモード構成では、高出力レーザーダイオードが強い光を生成します。このランプは、堅牢なマルチモーダル繊維に結合されており、金属やその他の材料を切断するために必要な高出力レベルを処理できます。繊維は導管として機能し、このパワーを切断ノズルに効果的に送信します。
ビームの形状と焦点化：ファイバー自体は特定のガイドラインを提供しますが、繊維端の出力は、切断に必要な小さなポイントと比較して依然として比較的大きいです。通常、ヘッドアセンブリの切断には、レンズまたは特殊な光学要素が含まれて、ワークピースの表面に小さな直径の光ビームに繊維を配置します。この焦点の質量は、ファイバーからのビームパラメーターの影響を受けます。これは、ファイバーのタイプと結合効率に依存します。
柔軟性と統合：ファイバーにより、切断ヘッドからの高出力レーザーソース（ダイオードモジュール）のリモートポジショニングが可能になります。この分離は、実際の操作には重要です。これにより、かさばる加熱ダイオードモジュールを制御された環境に配置できますが、繊維出力とフォーカス光学のみを含む軽量切断ヘッドは、切断機のガントリーを通して正確に操作できます。このセットアップにより、機械の設計が簡素化され、振動が減少し、システム全体の信頼性が向上します。
直接ダイオード切断とファイバーレーザーポンプ：直接ダイオード切断とファイバー結合ダイオードポンプファイバーレーザーシステムを区別することが重要です。直接切断では、ダイオードの出力（通常は約808nmまたは915nm/976nm）が材料に直接集中します。ファイバーレーザーシステムでは、マルチモーダルファイバー結合ダイオードは、希土類ドープ繊維（通常はドープされた繊維）に汲み上げられ、より簡単に固定された波長（約1070-1100 nm）で酸性化されます。どちらのアプローチも繊維結合ダイオードを利用しますが、直接的なアプローチは、より高い電気効率とよりシンプルなシステムアーキテクチャを提供することがありますが、ビームの品質はファイバーレーザーと比較して異なる場合があります。
レーザー切断の利点：
高効率：ファイバー結合ダイオードシステム、特に直接ダイオード構成により、電気変換効率が高いため、運用コストが削減されます。
迅速な処理：高出力トランスファーは、多くの材料の速い切削速度を提供します。
材料の汎用性：さまざまな材料、特に金属の切断に適しています。
システムのシンプルさ（直接ダイオード）：光学成分が少ないと、従来のレーザーシステムよりも信頼性が高くなり、メンテナンスが低下します。
レーザーにおける繊維結合レーザーダイオードの役割を理解することは、それらの実際の効果を強調し、それにより理論的フォトニクスを有形の製造能力に変換します。
多くの繊維結合 レーザーダイオードは 固定波長で動作しますが、技術的な進歩により、複数の波長で光を放出できるデバイスの開発が生じています。この波長は、新しい可能性を開き、さまざまなアプリケーションで特定の課題を解決できるものです。
波長で操作を実装する方法：
ファイバー結合システムに多波長放出を実装する方法はいくつかあります。
調整可能なレーザーダイオード：組み込みチューニングメカニズムを備えたレーザーダイオード（外部キャビティダイオードまたは垂直キャビティ表面エミッティングレーザー（VCSEL）を統合されたグレーティングとともに使用する）を使用して、特定の範囲内で電子的に調整できます。これらのダイオードは、標準手法を使用して結合されます。
複数のダイオード統合：単一のソフトウェアパッケージには、それぞれが異なる波長で放出される複数のレーザーダイオードが含まれる場合があります。内部または外部のスイッチングメカニズム（光スイッチやマルチプレクサなど）は、出力ファイバーへのどのダイオードの光カップリングを選択できます。
ハイブリッドシステム：単一波長ファイバー結合ダイオードは、非線形光学結晶（周波数倍、トリプレットなど）または光学パラメーターオシレーター（OPO）などの外部波長変換要素と組み合わせることができますが、これは通常、単純な「繊維結合ダイオード」およびより複雑なレーザーシステムを超えています。
Dopollon Longの利点とアプリケーション：
材料の取り扱い最適化：異なる材料は、特定の波長で最も効率的に光を吸収します。多波長繊維結合ダイオードは、ターゲット材料の最適な波長に調整または切り替えて、切断、溶接、またはアブレーションの効率と品質を改善することができます。たとえば、プラスチックは980nmでよりよく吸収される可能性がありますが、一部の金属は808nmまたは1064nmでより効率的になる場合があります。
分光法とセンシング：多くの分析技術は、特定の波長で光を放出する材料の検出に依存して、化学組成または物理的特性を特定します。調整可能なファイバーカップリングのソースは、スペクトル全体をすばやくスキャンでき、それにより、特徴的な吸収または放射系統によってサンプル内の複数のコンポーネントまたは機能を識別できます。
医療用途：さまざまな生物学的組織または発色団は、さまざまな波長に対して異なって反応します。多波長能力は、医療イメージング（たとえば、周囲の組織から血管を区別する）および治療用途（例えば、特定の細胞または光線力学療法の深さを標的とする）で価値があります。
テレコム：基本的な伝送は少なくなりますが、多波長アプリケーションマルチプレックス（DWDM）システムでは、多波長ソースが重要です。ここでは、異なる波長での複数の信号が、大容量データ伝送のために単一ファイバーに組み合わされます。ファイバー結合された調整可能なレーザーは、これらのシステムのテストと測定機器の重要なコンポーネントです。
チャレンジ：
最適な結合光学系は波長によってわずかに変化する可能性があるため、さまざまな波長で優れた結合効率を達成することは困難な場合があります。さらに、チューニング範囲全体に安定した出力とモードの特性を維持するには、レーザーダイオードと結合光学系を慎重に設計する必要があります。
複数の波長を使用する機能により、ファイバー結合レーザーダイオードの柔軟性と適用性が大幅に向上し、Photonics Toolkitでより有用になります。
