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そのコアでは、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、電流が通過するときにコヒーレント光を放出する半導体デバイスであり、光ファイバーを使用してです。重要なステップは「カップリング」プロセスです。レーザーダイオードの小さな開口部から放出される分岐ビームは、正確に焦点が絞られ、光ファイバのはるかに小さなコアに整列されています。この統合は、裸のレーザーダイオードを使用したいくつかの重要な利点を提供します。
レーザーダイオードが、すぐに広がるビームを発する小さな懐中電灯として想像してください。便利ですが、この分岐するビームは、距離を正確に通すか、複雑な光学セットアップに向けることが困難です。逆に、光ファイバは、非常に効率的なライトパイプのように機能し、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きます。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で効率的な光発生と、ファイバーの方向性、低下透過能力など、両方の世界の最高を獲得します。
この結合は些細なものではありません。ダイオードの出力からファイバーのコアに伝達される光の量を最大化するために、細心のアライメントとしばしば特殊な光学系（レンズなど）が必要です。この転送の効率は重要なパフォーマンスメトリックであり、多くの場合、結合効率（ファイバーを入力する電力の比率とダイオードから放出される総電力）として表されることがよくあります。
なぜ「ファイバー結合」アプローチがあるのですか？
レーザーダイオードで光ファイバーを使用すると、いくつかの実際的な課題が解決します。
使いやすさと統合：繊維は柔軟性があり、複雑なシステムに簡単にルーティングでき、より大きな装置内の繊細なレーザーダイオード自体の正確で固定されたアライメントの必要性を排除できます。
改善されたビーム品質とコリメーション：ファイバーは本質的に光をコリメートし、生ダイオード放射と比較して、より均一で予測可能な出力ビームプロファイルを提供します。
環境保護：繊維は光を包み込み、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。
長距離透過：繊維により、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、単一の経路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、これらの多様なコンポーネントの多様なタイプとアプリケーションを探索するための段階を設定します。
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ーではありません。それらは、主にコアのレーザーダイオードのタイプと、それらが結合している繊維の特性によって区別されるさまざまな形で提供されます。 2つの最も一般的な区別は、ファイバータイプ、シングルモードとマルチモードに基づいています。
シングルモード繊維の直径は非常に小さく（通常、標準の通信繊維の場合は約9マイクロメートル）。それらは、光の単一の伝播モードのみをサポートするように設計されており、その結果、ファイバー端を出る非常に焦点が合っていてコヒーレントな出力ビームが出ます。このような小さなコアに光を効率的に結合するには、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、特殊な非球面レンズが含まれます。
重要な特性：
高ビーム品質：出力ビームには、明確に定義されたガウスプロファイル、低い発散、高空間コヒーレンスがあります。これは、低ビームパラメーター製品（BPP）によって定量化されます。
狭いスペクトル幅：通常、狭い発光スペクトルを持つレーザーダイオードで使用され、高スペクトル純度を必要とするアプリケーションに重要です。
低電力処理：コア領域が小さいため、電力密度が高く、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フェイスの両方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共役ダイオードは、現代の電気通信のワークホールであり、高い帯域幅の長い距離にわたってデータを運ぶことです。また、高精度の干渉法、計測、微細なビームの焦点を必要とするLIDARシステム、および眼鏡検査や皮膚鏡検査などの特定の医療用途が必要な特定の医療用途にも不可欠です。
マルチモードファイバーの直径が大きい（一般的に50または62.5マイクロメートル、その他のサイズは存在します）。それらは複数の伝播モードをサポートできます。つまり、光線はファイバー内のいくつかのパスに沿って移動できます。これにより、シングルモード繊維と比較して、光が繊維を出ると、より高い発散を伴うより広い出力ビームプロファイルが生じます。
重要な特性：
ビーム品質の低下：出力ビームのコヒーレントが少なく、複数のモードにより発散が高くなります。これは、より高いBPPに反映されます。
より高い電力処理：より大きなコア領域により、損傷のしきい値に達する前に、より高い総電力伝送が可能になり、高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：分岐するダイオードビームをより大きなコアに整列させることは、一般にシングルモードのカップリングよりもマイナーな不整合に対してより簡単で敏感ではなく、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います。また、ソリッドステートまたはファイバーレーザー、光ファイバーセンサー（特にモーダル分散に敏感ではない）、およびより短い距離での一部のデータ通信アプリケーションのポンプ用途にも使用されます。
その他のタイプとバリエーション：
シングルモードとマルチモードの区別を超えて、あなたは遭遇するかもしれません：
調整可能な繊維結合レーザーダイオード：これらのデバイスには、出力波長を調整するためのメカニズム（外部空洞や格子など）が組み込まれているため、単一のモジュールがさまざまなスペクトルラインをカバーできます。これは、異なる材料や測定に異なる波長が必要な分光法およびセンシングアプリケーションで価値があります。
高電力ファイバー結合ダイオード：これらは通常、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、生成された実質的な熱を放散するために、水冷などの高度な熱管理機能を組み込みます。
波長安定化繊維結合ダイオード：これらは、ファイバー内のファイバーブラッググレーティング（FBG）のような技術を使用して、ダイオードに戻る非常に狭い波長の帯のみを反映し、その特定の波長に排出を効果的にロックし、精密な用途に不安定にします。
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、ビーム品質、波長、アプリケーション距離などの要因のバランスをとるのに役立ちます。
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能力により、膨大な現代の技術に不可欠なものになります。
これは間違いなく最も顕著なアプリケーションです。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。彼らは、ファイバーインフラストラクチャにデータキャリーライト信号を効率的に起動し、最小限の信号分解により広大な距離にわたって高帯域幅通信を可能にします。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の最も重要です。
製造では、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、およびマーキングにマルチモードファイバー結合ダイオードが広く使用されています。ファイバーを介して配信される高電力により、迅速な材料除去または融合が可能になりますが、ファイバーの柔軟性により、複雑な部品の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筆記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、困難な解剖学的位置に到達する繊維の能力に導かれた、正確な組織アブレーションまたは凝固のためにレーザー手術で使用されます。歯科では、キャビティの準備やガム治療などの手順を支援します。これらは、内視鏡などの医療イメージングシステムに不可欠であり、照明の提供、または柔軟な繊維を介した分光分析を可能にします。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、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するための分布またはポイントセンサーの作成が可能になります。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で使用される干渉計の安定した光源として機能します。
分野の研究者は、多数の実験に繊維結合ダイオードを利用しています。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、調整可能な、または高出力光源を提供します。ファイバーを実験セットアップに統合するのが容易により、複雑な光学アラインメントが簡素化されます。
目に見えないものの、ファイバー結合ダイオードは、消費者デバイスでもニッチな役割を見つけます。これらは、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）のために特定のLIDARシステムで使用され、距離センシングの光を提供する場合があります。また、大規模な電子アセンブリまたは特殊なイメージングデバイス内の高速データリンクにも関与する可能性があります。
これらのアプリケーションの幅は、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、無数の分野でイノベーションの重要なイネーブラーとして機能します。
レーザー切断は、現代の製造における基礎技術であり、幅広い材料を処理するための精度、速度、汎用性を提供します。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り、多くの場合、工業用ファイバーレーザーの光源として、または直接ダイオード切断システム自体として機能します。
ファイバー結合ダイオードがどのようにレーザー切断を可能にするか：
電力供給：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提供することです。多くの場合、マルチモード構成で、高電力レーザーダイオードが強い光を生成します。このライトは、金属やその他の材料の切断に必要な高出力レベルを処理できる堅牢なマルチモード繊維に結合されています。繊維は導管として機能し、このパワーを切断ノズルに効率的に送信します。
ビームシェーピングとフォーカス：ファイバー自体はいくらかのコリメーションを提供しますが、繊維端からの出力は、切断に必要な小さなスポットと比較して比較的大きいです。通常、切断ヘッドアセンブリには、繊維を出てくるビームをワークピース表面の非常に小さな直径に焦点を合わせて、レンズまたは特殊な光学系が含まれています。この焦点の品質は、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、高出力レーザーソース（ダイオードモジュール）を切断ヘッドから遠隔に配置できます。この分離は、実際の操作には重要です。これにより、かさばる潜在的に熱生成される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、ファイバー出力とフォーカシング光学のみを含む軽量の切断ヘッドは、切断機のガントリーによって正確に操縦することができます。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ピング：直接ダイオード切断と、ファイバー結合ダイオードがファイバーレーザーをポンプするシステムを区別することが重要です。直接ダイオード切断では、ダイオードの出力（多くの場合808nmまたは915nm/976nm前後）が材料に直接焦点を合わせます。ファイバーレーザーシステムでは、マルチモードファイバー結合ダイオードが希少地球ドープ繊維（通常はYtterbiumドープ）をポンプし、より材料切り替えに優しい波長（約1070-1100NM）でゆっくりと覆います。どちらのアプローチも繊維結合ダイオードを活用しますが、直接的な方法は、繊維レーザーと比較して異なるビーム品質で潜在的に潜在的に、より高い電気的効率とより単純なシステムアーキテクチャを提供することがあります。
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、高い電気から光への変換効率が高まり、運用コストが削減されます。
迅速な処理：高出力供給により、多くの材料の速度速度が速くなります。
材料の汎用性：幅広い材料、特に金属を切るのに適しています。
システムシンプルさ（直接ダイオード）：従来のレーザーシステムと比較して光学コンポーネントが少ないと、信頼性が高くなり、メンテナンスが低下する可能性があります。
レーザー切断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、それらの実際的な影響を強調し、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 単一の固定波長で動作しますが、技術の進歩により、複数の波長で光を放出できるデバイスの開発につながりました。この多波長機能は、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に対処します。
マルチ波長操作がどのように達成されるか：
ファイバー結合システムで多波長放出を達成するためのいくつかのアプローチがあります。
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（外部キャビティダイオードや垂直方向のキャビティ表面発光レーザー（VCSEL）などのレーザーダイオードを使用すると、特定の範囲で発光波長を電子的に調整できます。これらのダイオードは、標準技術を使用して繊維結合されます。
複数のダイオード統合：単一のパッケージには、それぞれが異なる波長で放射す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、出力ファイバーに結合されるダイオードの光を選択できます。
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、3倍など）や光学パラメトリックオシレーター（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、これは単純な「繊維結合ダイオード」を超えてより複雑なレーザーシステムに移動します。
多波長の利点とアプリケーション：
材料処理の最適化：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。多波長ファイバー結合ダイオードは、ターゲット材料の最適な波長に調整または切り替え、切断、溶接、またはアブレーション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、特定の金属は808nmまたは1064nmでより効率的に処理される可能性があります。
分光法とセンシング：多くの分析技術は、化学組成または物理的特性を特定するために、特定の波長の光のある材料の調査に依存しています。調整可能なファイバー結合ソースにより、スペクトル全体で迅速なスキャンが可能になり、特徴的な吸収または放射系統を介し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、光線力学的療法で特定の細胞または深さを標的とする）で価値があります。
電気通信：基本的な伝送ではあまり一般的ではありませんが、多波長除算マルチプレックス（DWDM）システムでは多波長源が重要です。ここでは、異なる波長の複数の信号が大容量の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。ファイバー共役調整可能なレーザーは、これらのシステムのテストおよび測定装置の重要なコンポーネントです。
課題：
最適な結合光学系が波長によってわずかに変化する可能性があるため、さまざまな波長にわたって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カップリング光学の両方を慎重に設計する必要があります。
複数の波長を扱う機能は、繊維結合レーザーダイオードの柔軟性と適用性を大幅に向上させ、Photonics Toolkitでさらに多用途のツールにします。
