Controllo del grado di polarizzazione del fascio ottico in diodi laser ad alta potenza

I laser in fibra ad alta potenza vengono impiegati in molti ambiti, come il material processing. Questi laser possono raggiungere potenze di emissione oltre i 10kW, richiedendo bassa manutenzione, alta affidabilità e ottime prestazioni. Potenze così elevate sono ottenute amplificando la luce nella fibra stessa. Il pompaggio ottico della fibra è costituito da moduli che possono generare fasci ottici di potenza fino a 250 W. In ogni modulo, una serie di Diodi Laser (LD), tipicamente dai 15 ai 20 dispositivi, è montata in modo che i fasci emessi dai singoli LD siano collimati nel core della fibra di uscita del modulo. Il problema di combinare efficacemente i diversi fasci è alla base del presente lavoro di tesi. Infatti, nel tentativo di combinare due fasci ottici insieme, il Beam Parameter Product (BPP) risultante, cioè il prodotto di metà dell'angolo di divergenza del fascio laser e il raggio del fascio nel suo punto più stretto, è maggiore del valore originale. Questo implica una diminuzione della brillanza nel fascio risultante. Per ovviare al problema di combinazione multi-spaziale ed evitare un aumento del BPP, è necessario distinguere i fotoni dei fasci laser coinvolti nell'accoppiamento. Un criterio per la distinzione dei fotoni è basato sullo stato di polarizzazione. Questo significa che è possibile combinare un fascio polarizzato TE con uno polarizzato TM senza aumentare il BPP risultante. La presenza di un quantum well rende la polarizzazione nativa del fascio emesso dal diodo laser orientata TE. Idealmente per accoppiare fasci senza aumentare il BPP, sarebbe sufficiente ruotare di 90° lo stato di polarizzazione di uno dei due fasci, con un rotatore di polarità, per ottenere due fasci con polarizzazione complementare. Il problema è rappresentato dalla presenza nei fasci di LD reali di una componente spuria polarizzata TM. Il Degree of Polarization (DoP) che può essere espresso come il rapporto tra l'intensità di luce polarizzata TE e l'intensità totale del fascio emesso, indica la percentuale di componente TE. Un valore standard di DoP per un LD può variare tra 95% (per i processi migliori) fino al 60-70% (per processi maggiormente tensionati). L'obbiettivo del lavoro di tesi è capire le cause che determinano la diminuzione del DoP. Il lavoro è costituito da una parte sperimentale ed una modellistica: nella prima sono stati misurati con un banco ottico i valori di DoP di dispositivi realizzati con processi differenti. Sono stati misurati diodi con diversi spessori delle deposizioni metalliche, diversi spessori del chip, architetture (presenza di un profilo planare piuttosto che con ridge o trincee), materiali, etc. per comprendere la loro influenza sul DoP. La seconda parte del lavoro consiste in un modello numerico degli effetti dello stress sul DoP. Gli stress meccanici indotti da materiali con differenti coefficienti di espansione termica possano produrre variazioni dell'indice di rifrazione nella regione attiva del diodo laser. Questa variazione dell'indice di rifrazione si comporta come un rotatore di polarizzazione per i fotoni che si propagano nella cavità, cambiando il loro stato di polarizzazione. L'obbiettivo è stato creare un modello numerico per correlare dapprima gli stress con la variazione di indice di rifrazione attraverso gli effetti foto elastici, e poi correlare queste variazioni di indice con la variazione della polarizzazione tramite le matrici di Jones. In questo modo è possibile predirne il DOP.